Modification d'un alliage d'aluminium pour la fabrication additive par procédé L-PBF. A la recherche d'un compromis entre résistance mécanique et conductivité thermique

Modification of an aluminum alloy for additive manufacturing process using PBF-LB. In search of a compromise between mechanical resistance and thermal conductivity

• Auteur / Autrice : Melek Genc
• Direction : Jean-Jacques Blandin, Christophe Desrayaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Dendievel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Cazottes, Marc Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Alliage d’aluminium

Fabrication additive

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

Propriétés mécaniques

Conductivité thermique

Aluminum alloy

Additive manufacturing

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

Mechanical properties

Thermal conductivity

Résumé

Les alliages d'aluminium à durcissement structural de la série 6XXX restent parmi les plus utilisés dans le domaine de l'aéronautique pour leurs bonnes propriétés mécaniques et thermiques, principalement l'alliage AA6061 dans son état T6. Ces alliages sont connus pour leur grande sensibilité à la fissuration à chaud lors de leur mise en œuvre par procédé de fusion par faisceau laser sur lit de poudre L-PBF (Laser Powder Bed Fusion). L'ajout de Zr dans la composition de l'alliage AA6061 permet la mise en œuvre par procédé L-PBF de pièces dépourvues de fissures suite à l’affinement de la taille des grains. L'alliage AA6061 modifié au Zr est nommé Al6061TH. L’ajout du Zr joue un rôle dans l'affinement de la microstructure et l'élimination des fissures mais également sur les propriétés mécaniques et fonctionnelles. Une analyse microstructurale multi-échelle et une caractérisation complète des propriétés (dureté, résistance mécanique, conductivité électrique et thermique,) est réalisée pour évaluer le nouvel alliage Al6061TH. Une microstructure duplex avec une transition nette entre des grains fins equiaxes de 500 nm dans le fond du bain de fusion et des grains colonnaires de largeur ~2 µm et longueur 2 à 6 µm dans le reste du bain est observée. L'alliage Al6061TH brut de fabrication présente une limite d'élasticité plus élevée (370 MPa) que l'alliage AA6061 conventionnel dans son état T6 (260 MPa), mais sa conductivité thermique s'avère beaucoup plus faible (98 contre 173 W/m.K). Une corrélation entre procédé, propriétés et microstructure permet de mieux comprendre le matériau brut de fabrication et d’identifier les possibles améliorations. Il est nécessaire de concevoir des traitements thermiques permettant d'obtenir un compromis entre limite d'élasticité et conductivité thermique en s’aidant des diverses caractérisations. Dans ce travail, nous avons conçu deux séquences de traitement thermique visant à atteindre un tel compromis : T6 (550°C / 30 min + 180°C / 4 h) et un vieillissement direct à 400 ◦C/4 h. Les deux séquences permettent d’améliorer les propriétés mécaniques (limite d'élasticité de 350 et 460 MPa respectivement pour le T6 et le traitement thermique de vieillissement direct) tout en maintenant un niveau acceptable de conductivité thermique (150 et 170 W/m.K respectivement pour le T6 et le traitement thermique de vieillissement direct).

The AA6061 Al alloy in its T6 conditions is often considered a good candidate for applications requiring a good balance between strength and thermal conductivity. However, this alloy is often very difficult to process using laser powder bed fusion (PBF-LB) because of the development of hot cracks during fabrication. Here, we show that adding Zr to the AA6061 heritage alloy makes it processable by PBF-LB (suppression of hot cracks). Hot crack mitigation is attributed to grain refinement. However, the addition of Zr greatly affects the microstructure and thus the mechanical and electrical/thermal properties of the Zr-modified AA6061 alloy. On the basis of a multiscale microstructural study using optical microscopy, X-ray diffraction, and electron microscopy, we characterize the microstructure. The mechanical properties (hardness, tensile behavior) and thermal conductivity derived from electrical conductivity measurements are then discussed in light of the microstructure. At the scale of the molten pool, duplex grain microstructure is observed : a region located close to the boundary of the melt pool consisting of fine equiaxed grains (500 nm) and a region made of fine columnar grains (several micrometers in width) in the upper part of the molten bead aligned in the direction of the thermal gradient. The as-fabricated Zr-modified AA6061 alloy shows a higher yield strength (370 MPa) than the heritage AA6061 alloy in its T6 condition (260 MPa) but its thermal conductivity is found to be much lower (98 vs. 173 W/m.K). Consequently, there is a need to design heat treatments to achieve a trade-off between yield strength and thermal conductivity in light of the microstructural evolutions. In this work, we designed two heat treatment sequences aiming at achieving such a trade-off: an adapted T6 sequence (550 ◦C/30 min + 180 ◦C/4 h) and direct ageing at 400 ◦C/4 h. The two heat treatment sequences designed in this work enable the mechanical properties of the heritage AA6061 alloy to be outperformed (yield strength of 350 and 460 MPa for the T6 and direct ageing heat treatment respectively) while maintaining an acceptable level of thermal conductivity (150 and 170 W/m.K for the T6 and direct ageing heat treatment respectively).