Alliages nanocomposites Ti6Al4V et Ti6Al4V-nYSZ produits par fabrication additive via le procédé SLM (selective laser melting) : traitement des poudres, optimisation des microstructures et propriétés mécaniques

par Mohamed Amine Hattal

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Brigitte Bacroix et de Guy Dirras.

Soutenue le 26-03-2021

à Paris 13 , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) .

Le président du jury était Patrice Peyre.

Le jury était composé de Guilhem Martin, Madjid Djemai, Christophe Delaunay.

Les rapporteurs étaient Eric Hug, Moukrane Dehmas.

mots clés

• Fabrication additive
• Titane
• Zircone
• Pressage isostatique à chaud
• Zircone
• Oxyde d'yttrium
• Métaux -- Effets des hautes températures
• Prototypage rapide
• Compression isostatique

Résumé

Cette étude a présenté pour la première fois l'effet de l'ajout de poudre de zircone stabilisée par l’oxyde d’yttrium (nYSZ) sur la microstructure et les propriétés mécaniques à chaud et à froid du Ti6Al4V fabriqué via la technologie fusion sur lit de poudre (SLM). Cette thèse contient également la première étude de l'effet du pressage isostatique à chaud (HIP) sur une matrice Ti6Al4V renforcée par la zircone et fabriquée par SLM. La fusion des mélanges de poudre Ti6Al4V / nYSZ via SLM peut être difficile si les paramètres de fusion ne sont pas adaptés. À l'exception du raffinage des grains, la microstructure de Ti6Al4V ne présente pas de changements significatifs dans la morphologie des grains après l'addition de nYSZ. Cependant, les propriétés mécaniques ont été considérablement augmentées. Après le post-traitement HIP, le nombre de défauts est drastiquement réduit et les propriétés mécaniques améliorées. Le matériau présente par ailleurs une contrainte d'écoulement stable. À haute température, les propriétés mécaniques sont très supérieures à celles du Ti6Al4V, en raison de l'effet de renforcement de nYSZ.

mots clés

• Additive manufacturing
• Titanium
• Zirconia
• Hot isostatic pressing

Titre traduit

Ti6Al4V and Ti6Al4V-nYSZ nanocomposite alloys produced by additive manufacturing via the Selective Laser Melting (SLM) process : powders processing, microstructures optimization and mechanical properti

Résumé

In this thesis, we investigated effect of addition of nano yttria stabilized zirconia (nYSZ) powder on microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V manufactured via Selective laser Melting (SLM) technology. Also, so far, this is the only study that shows the effect of hot isostatic pressing (HIP) on a zirconia reinforced Ti6Al4V matrix manufactured via SLM and the effect of a heat treatment near the transus temperature on the mechanical behavior and final microstructure. Processing Ti6Al4V/nYSZ powder blends via SLM can be challenging if the process parameters are not adapted. Except for grains refining, the microstructure of Ti6Al4V did not show significant changes in grain morphology after nYSZ addition. However, the mechanical properties were greatly enhanced. After HIP post treatment, the microstructure of reinforced parts presented fewer defects and the mechanical properties were enhanced, and stable flow stress was observed. Even at high temperature, the mechanical properties were superior to that of Ti6Al4V, because of the reinforcing effect of nYSZ.