Fabrication additive arc-fil en alliage d'aluminium à durcissement structural AA6061 : relations procédé, microstructures et propriétés mécaniques

par Gautier Doumenc

Thèse de doctorat en Génie des matériaux

Sous la direction de David Gloaguen, Pascal Paillard et de Bruno Courant.

Le président du jury était Patrice Peyre.

Le jury était composé de Frédéric Deschaux-Beaume, Laurent Couturier.

Les rapporteurs étaient Aude Simar, Damien Fabrègue.


  • Résumé

    La fabrication additive ou l'impression 3D permet d'optimiser les performances d'une pièce, ainsi que son impact énergétique et environnemental. La fabrication additive arc-fil (WAAM) détient des taux de dépôts élevés et offre la possibilité de fabriquer des pièces de grandes dimensions à moindre coût. Les alliages d'aluminium à durcissement structural comme l’alliage 6061 sont largement utilisés pour les applications de structure en raison de leurs propriétés spécifiques élevées. Dans ce type d’alliages, les microstructures et les nanostructures sont fortement influencées par les principaux paramètres du procédé mis en oeuvre lors de l’élaboration. Ces paramètres déterminent également les performances mécaniques des pièces produites. Le développement récent d'une variante du procédé de dépôt Metal Inert Gas (MIG), basé sur un mode de transfert en court-circuit à faible énergie appelé Cold Metal Transfer® (CMT), a permis d’améliorer la soudabilité de certains alliages d’aluminium. Ce procédé a été utilisé avec succès pour produire des pièces en AA6061 exemptes de défauts avec différents paramètres du procédé et stratégies de dépôt. L'effet des paramètres du processus sur la santé matière et la géométrie des dépôts a été étudié. Avec des paramètres optimisés, les parois minces obtenues ont un faible taux de porosités et aucune fissuration à chaud n’a été observée. Les microstructures résultantes ont été analysées. L'état des précipitations a également été étudié. Les recherches sur les phases nanométriques ont montré que les pièces construites peuvent atteindre un état de précipitation T6 standard. Des tests mécaniques et des analyses de contraintes résiduelles (par diffraction des rayons X ou neutrons) ont été effectués, ils montrent que les propriétés mécaniques T6 standard sont retrouvées. En revanche, des contraintes de traction élevées ont été retrouvées dans les pièces construites. Ce travail se présente comme une participation au développement du concept WAAM et plus largement à l'impression 3D.

  • Titre traduit

    Wire and Arc Additive Manufacturing of age hardening AA6061 : process, microstructures and mechanical properties


  • Résumé

    Additive manufacturing or 3D printing makes it possible to optimise the performance of a part, as well as its environmental impacts. Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM), due to its high deposition rate, offers the possibility to manufacture large components at a lower cost. Age hardened aluminium alloys such as AA6061 are widely used for structural applications because of their high specific properties. In age hardening alloys, microstructures and nanostructures are strongly influenced by the main process parameters and do have a critical influence on the mechanical performances of the built part. The recent development of a variant of the Metal Inert Gas (MIG) deposition process, based on a low-energy short-circuit transfer mode called Cold Metal Transfer® (CMT), enabled the use of poorly weldable alloys. This process was successfully applied to produce defect-free 6061 parts. The effect of the process parameters on the material health and weld bead geometry has been examined. With optimised parameters, achieved thin-walls have a low porosity ratio and no hot cracking. The resultant microstructures have been analysed and are reliant on the WAAM process parameters and the deposition strategy. Stacked structures consisting of successive alternating layers of columnar and equiaxial grains are observed. Precipitation state has also been studied. Nanometric phases investigations have shown that built parts can reach a standard precipitation state. Mechanical testing and residual stress analysis (by XRay and Neutron diffraction) have been performed showing standard mechanical properties and high tensile stresses in the built parts. This work is presented as a participation in the development of the WAAM concept and on a wider scale in 3D printing.


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