Thèse soutenue

Compréhension de la relation procédé-microstructure-propriétés d'un alliage d'aluminium développé pour la fabrication additive par laser

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Auteur / Autrice : Maxence Buttard
Direction : Guilhem Martin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, électrochimie, génie civil
Date : Soutenance le 15/05/2023
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 : Roland Logé
Examinateurs / Examinatrices : Baptiste Gault, Sabine Rolland du Roscoat
Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Bourgeois, Julien Zollinger

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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La réalisation de pièces en aluminium par fabrication additive par fusion sélective sur lit de poudre à l’aide d’un laser (LPBF pour Laser Powder Bed Fusion) connaît un essor depuis les deux dernières décennies grâce à sa capacité à produire des pièces à géométrie complexe. Avec le souhait d’améliorer les propriétés mécaniques des alliages obtenus par LPBF, plusieurs tentatives de mise en œuvre par LPBF d’alliages d’aluminium à haute tenue mécanique, notamment ceux à durcissement structural (alliages des séries 2XXX, 6XXX, ou 7XXX), se sont révélées infructueuses à cause du phénomène de fissuration à chaud. Dans ce contexte, la volonté de développer des alliages spécifiquement conçus pour la fabrication additive et en particulier le procédé LPBF s’est accrue dans le but d’atteindre une haute tenue mécanique tout en maintenant à une bonne « processabilité ».Cette thèse s’inscrit dans ce contexte au travers de l’étude d’un alliage Al-Mn-Ni-Cu-Zr (HT1) développé par Constellium pour le procédé LPBF. Cet alliage vise à tirer profit des conditions de fabrication hors équilibre et en particulier des hautes vitesses de solidification atteintes en LPBF pour maintenir de bonnes propriétés mécaniques de la température ambiante jusqu’à 300°C.L’absence de défauts de type fissure dans la microstructure brute de fabrication atteste de la bonne « processabilité » de l’alliage HT1, prérequis numéro un pour valider l’alliage comme potentiel candidat pour le secteur aéronautique. Une étude microstructurale multi-échelle de la microstructure brute de fabrication à l’aide d’une batterie de techniques de caractérisation permettant d’accéder à des informations s’étalant de l’échelle macroscopique à l’échelle atomique a été menée. Les caractéristiques microstructurales de l’alliage HT1 sont identifiées, et les mécanismes sous-jacents discutés. Le principal résultat est que la microstructure héritée de procéder LPBF présente un caractère composite avec des hétérogénéités se développant à toutes les échelles. Le rôle joué par le liquide, et en particulier lorsque ce dernier se trouve partiellement organisé à courte distance (ISRO pour Icosahedral Short Range Order). L’effet de l’organisation du liquide à courte distance a aussi été mise en évidence.Les relations microstructures-propriétés mécaniques à température ambiante sont ensuite étudiées en mettant en lumière les évolutions induites par un vieillissement à 400°C. Cette étude se décompose en deux parties. La première s’intéresse à l’effet du traitement thermique à 400°C sur le niveau des propriétés mécaniques, notamment la limite d’élasticité et la ductilité. En s’appuyant une nouvelle fois sur une étude microstructurale multi-échelle des échantillons vieillis à 400°C, les mécanismes de durcissement à l’origine de l’évolution de propriétés mécaniques et de la stabilité thermique sont identifiés et discutés. La deuxième partie traite l’effet du traitement thermique sur la réponse mécanique en traction de l’alliage HT1. Le principal résultat de cette étude réside dans l’aspect composite du matériau révélant une zone à grains fins dans l’incapacité de s’écrouir contrairement à une zone colonnaire dont la capacité d’écrouissage évolue avec le traitement thermique.Finalement, ces travaux peuvent servir à la fois de base pour le développement de la nouvelle version du cet alliage tout comme au développement de nouvelles stratégies de design d’alliages visant à mieux exploiter le liquide via des mécanismes impliquant l’ISRO.