Etude du polissage électrolytique plasma de pièces en AS7G06 issues de la fabrication additive

par Anthony Spica

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Laurent Arurault et de Jérôme Roche.

Soutenue le 23-10-2020

à Toulouse 3 , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....) (laboratoire) .

Le jury était composé de Juan Creus, Alain Denoirjean, Pierre Chamelot, Marie-Laure Doche.

Les rapporteurs étaient Juan Creus, Alain Denoirjean.

mots clés

• AS7G06
• Aluminium
• Fabrication additive
• Polissage électrolytique plasma
• Prototypage rapide
• Polissage électrolytique
• Aluminium

Résumé

La fabrication additive (FA) est une technologie d’élaboration et de mise en forme actuellement en plein développement dans le domaine des matériaux métalliques. Toutefois, à la fin du processus de fabrication, les surfaces des pièces métalliques ont typiquement une rugosité élevée (Sa = 20 µm), associée notamment à la présence en surface de particules partiellement fondues, qui peuvent en outre se détacher ultérieurement. Cet état de surface est dommageable car il peut entraîner un risque de corrosion et une diminution de la tenue en fatigue de la pièce. De plus, de nombreuses applications nécessitent des états de surface rigoureusement contrôlés, du point de vue de la rugosité et de l’esthétique. Il est donc important, après FA d’une pièce, de procéder à des traitements de parachèvement de la surface, notamment de polissage, qui peuvent être usuellement chimiques ou électrochimiques. Ces travaux de thèse ont pour objectif l’étude du polissage électrolytique plasma (PeP), qui est un nouveau procédé jusqu’alors peu étudié, en particulier sur les alliages d’aluminium et sur les pièces issues de FA. Cette nouvelle technologie est basée sur la formation, autour de la surface du substrat, d’une couche diélectrique mince, constituée d’une fine gaine de vapeur issue de l’échauffement local par effet joule de l’électrolyte aqueux au voisinage de la pièce métallique. Deux substrats d’aluminium ont été étudiés : le premier est un alliage d’aluminium 1050 (99,5 % de pureté) qui sert de référence. Le second, est un alliage d’aluminium AS7G06 issu de FA. Ces travaux ont notamment permis de corréler les paramètres opératoires du procédé (tension, durée, électrolyte) aux caractéristiques de surface (rugosité, brillance) après traitement. Il a été ainsi montré que la tension et la profondeur d’immersion de la pièce sont des paramètres qui ont un impact significatif sur les performances de polissage. L’étude du bain électrolytique a également permis de montrer l’importance de sa température et de sa composition (initiale et au cours du temps) sur l’abattement de la rugosité. En conclusion, ces travaux ont permis, pour la première fois et avec succès, de mettre en œuvre le procédé PeP sur alliage d’aluminium AS7G06 mis en forme par FA. L’optimisation des paramètres opératoires du procédé permet à présent d’en réduire la rugosité globale jusqu’à 87%, et ce en seulement quelques minutes.

mots clés

• AS7G06
• Aluminium
• Additive manufacturing
• Electrolytic plasma polishing

Titre traduit

Study of plasma electrolytic polishing of AS7G06 parts from additive manufacturing

Résumé

Additive manufacturing (AM) is an elaboration technology currently under rapid development in the field of metallic materials. However, at the end of the manufacturing process, the resulting metallic surfaces show typically a high roughness (Sa = 20 µm), which is associated in particular with the presence of partially melted particles on the surface, that can also detach themselves later. This surface condition is damaging because it leads to a risk of corrosion and fatigue failure of the part. In addition, many applications require strictly controlled surface finishing in terms of roughness and aesthetics. It is therefore important, after AM of a part, to proceed with surface finishing treatments, particularly polishing, which can usually be chemical or electrochemical. This thesis work focuses on the study of electrolytic plasma polishing (EPP), which is a new process that has not been studied much so far, particularly on aluminium alloys and on parts made by AM. This new technology is based on the formation, around the substrate surface, of a dielectric layer, consisting of a thin vapour sheath resulting from the local heating of the aqueous electrolyte in the vicinity of the metal part, by Joule effect. Two aluminium substrates have been studied here: the first is a 1050 aluminium alloy (99.5% purity) which serves as a reference. The second is an AS7G06 aluminium alloy made by AM. In particular, this work has made it possible to correlate the process operating parameters (voltage, duration, electrolyte) with the surface characteristics (roughness, gloss) after treatment. It was thus shown that voltage and immersion depth of the workpiece are parameters which have a significant impact on the polishing performance. The study of the electrolytic bath also made it possible to show the importance of its temperature and composition (initial and over time) on the roughness reduction. In conclusion, this work made it possible, for the first time and successfully, to implement the EPP process on AS7G06 aluminium alloy made by AM. By optimizing the process operating parameters, it is now possible to reduce the roughness by up to 87% in just a few minutes.