Influence de l'environnement de travail en fabrication additive par fusion laser "lit de poudre

Influence of gas atmosphere on laser "powder bed" fusion additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Socona Traore
• Direction : Patrice Peyre, Matthieu Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Soutenance le 04/02/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Garandet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre, Matthieu Schneider, Cyril Bordreuil, Eric Andrieu, Imade Koutiri, Coralie Charpentier, Pascal Laheurte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyril Bordreuil, Eric Andrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz -- Composition chimique

Lasers -- Matériaux

Thèses et écrits académiques

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Laser

Lit de poudre

Gaz

Interaction laser/matière

Métal

Additive manufacturing

Laser

Powder bed

Gas

Laser/matter interaction

Metal

Résumé

L’influence de l’environnement de travail gazeux en fabrication additive métallique par fusion laser « lit de poudre » LPBF (Laser Powder Bed Fusion) a été étudiée lors de la mise en forme d’un superalliage base nickel (l’Inconel 625). Communément, les pièces sont fabriquées sous un inertage d’argon ou d’azote qui respecte un critère de neutralité chimique vis-à-vis du métal liquide et dont le rôle premier est d’éviter l’oxydation à haute température. Cependant, peu de travaux traitent de l’influence de la nature de l’atmosphère gazeuse et de la façon dont elle pourrait modifier la stabilité du procédé LPBF et son efficacité. Dans le but de répondre à cette problématique, des monocordons et des pièces 3D ont été réalisés avec des gaz ou mélanges de gaz originaux, inertes ou potentiellement réactifs afin de déterminer leur impact sur le procédé. A priori, les conséquences d’un tel changement peuvent être de nature thermique, aérodynamique ou hydrodynamique avec une modification envisageable sur la qualité finale des pièces ou le déroulement du procédé. Les monocordons ont été réalisés sur un banc expérimental à faisceau laser fixe conçu au laboratoire PIMM permettant l’installation de divers outils d’instrumentation afin d’observer et de caractériser les phénomènes à l’échelle de l’interaction « laser - poudre - zone fondue - environnement gazeux ». Quant aux pièces 3D, elles ont été construites en machine industrielle SLM 125 HL et ont permis entre autres, d’analyser l’effet du gaz sur la qualité des pièces et leur microstructure. Les études sur les deux dispositifs expérimentaux et aux deux échelles (cordon unitaire et pièce 3D) ont mis en évidence que le gaz de protection avait peu d’influence sur l’absorption de l’énergie laser et sur les dimensions des zones fondues dans des conditions de fabrication maîtrisées. En revanche, des effets nets sur les phénomènes physiques en périphérie de la zone de fusion conditionnant les mécanismes d’éjection et de dénudation ont été identifiés. Un impact sur les états de surface a également été observé.Mots-clés : fabrication additive, laser, métal, gaz, poudre, superalliage base nickel, éjection, dénudation, plume de vapeur, monocordon

The influence of the gaseous working environment in metal additive manufacturing by LPBF (Laser Powder Bed Fusion) was studied during the processing of a nickel-based superalloy (Inconel 625). LPBF parts are commonly manufactured with argon and nitrogen as inerting gases protecting the liquid metal from high temperature oxidation. However, few researches were focused on the influence of the nature of the gaseous atmosphere and how it may affect the process stability and its overall efficiency. In order to address this issue, single beads and 3D parts were produced using uncommon gases or gas mixtures, inert or potentially reactive to evaluate their impact on the process. At first sight, consequences of such a change can be of several types: thermal, aerodynamic or hydrodynamic with a potential modification on the final quality of the part or the process progression. The single beads were produced on a dedicated experimental setup designed in the PIMM laboratory and allowing various in-situ measurements in order to observe and characterise the phenomena near the “laser – powder – melt pool – gas” interaction zone. As for the 3D parts, they were built using an SLM 125 HL industrial machine and allowed to analyse the effect of gas nature on part quality and their microstructure. Studies on both devices and at both scales (single beads and 3D parts) showed that under controlled manufacturing conditions the shielding gas had little influence on the laser energy absorption and on dimensions of melt pools. In contrast, clear effects on the physical phenomena around the interaction zone conditioning ejection and denudation mechanisms were identified. An impact on surface roughness was also noticed.Keywords: additive manufacturing, laser, metal, gas, powder, nickel-based superalloy, ejection, denudation, vapour plume, single bead