Fabrication Additive des Alliages d’Aluminium 6061 et 7075 avec Fusion Laser Sélective

Additive manufacturing of 6061 and 7075 aluminium alloy with selective laser melting

• Auteur / Autrice : Yingjie Li
• Direction : Hanlin Liao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 25/09/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne [Dijon] / LICB
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hanlin Liao, Abel Cherouat, Gang Ji, Nan Kang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abel Cherouat, Gang Ji

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Alliage d'aluminium

Fusion sélective au laser

Fabrication Additive

Aluminum alloy

Selective Laser Melting

Additive Manufacturing

Résumé

Actuellement, le défi auquel fait face le procédé SLM pour les alliages d'aluminium à haute résistance ou durcis par précipitation (séries 2xxx, 6xxx et 7xxx) est qu'ils sont sujets à la fissuration à chaud lors de la phase finale de solidification. Cela entraîne un grand nombre de fissures dans les échantillons imprimés. De plus, les éléments à bas point de fusion (Zn, Mg) de ces alliages ont tendance à s'évaporer facilement pendant le processus, entraînant des déficiences de composition qui affectent considérablement leurs propriétés mécaniques. Par conséquent, aborder les problèmes de fissuration et d'évaporation des éléments lors du processus d'impression SLM des alliages d'aluminium de résistance moyenne et élevée est une priorité de recherche majeure. L'objectif de cette étude est d'utiliser un équipement SLM à laser vert pour imprimer des échantillons d'alliage d'aluminium 6061 et 7075 sans fissures et d'étudier leurs propriétés mécaniques. Comparé aux lasers infrarouges traditionnels, la poudre d'alliage d'aluminium a un taux d'absorption plus élevé pour les lasers verts, ce qui signifie que des densités d'énergie plus faibles peuvent être utilisées pour l'impression. Cela réduit l'évaporation des éléments faiblement alliés. De plus, des particules de Ti et des particules de TiC/SiC sont ajoutées comme agents de nucléation pour affiner les grains et réduire les fissures. Trois types de poudres ont été préparés par mélange mécanique : 6061 + particules de Ti, 7075 + particules de Ti, et 7075 + particules de TiC/SiC. Les échantillons ont été imprimés en utilisant un équipement à laser vert, différent du laser infrarouge traditionnel.La morphologie et la composition en phases des poudres et des pièces imprimées ont été observées et étudiées à l'aide de la microscopie optique (OM), de la microscopie électronique à balayage (SEM) et de la diffraction des rayons X (XRD). Les mécanismes de renforcement et les propriétés mécaniques des échantillons imprimés ont été analysés en utilisant la microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM), la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), des tests de microdureté et des équipements de test de traction. En optimisant les paramètres de procédé (puissance laser, vitesse de balayage) et la proportion de particules ajoutées, des alliages d'aluminium 6061 et 7075 sans fissures ont été finalement préparés, et leurs mécanismes de renforcement ont été révélés. Cela offre une nouvelle approche pour le procédé SLM afin de produire des alliages d'aluminium haute performance sans fissures. Les résultats expérimentaux indiquent que pendant le processus d'impression laser vert avec des taux d'absorption plus élevés, une densité d'énergie de 52,1 à 62,5 J/mm³ est suffisante pour obtenir des échantillons imprimés relativement denses. Les grains dans les échantillons d'alliage d'aluminium 6061 et 7075 imprimés étaient de gros grains colonnaux (12,1-17,9 microns). L'ajout de particules de titane a considérablement affiné les grains, les transformant en grains colonnaux et équiaxes de petite taille (0,9-1,63 microns). En plus de servir de points de nucléation, les particules de titane ont réagi avec la matrice d'aluminium pour former Al3Ti, ce qui a été confirmé dans le HRTEM des impressions 6061 et dans le XRD des impressions 7075. L'ajout de particules de titane a donné des échantillons sans fissures pour les deux alliages 6061 et 7075. Comparé au laser infrarouge traditionnel, la perte des éléments Mg et Zn a été réduite avec le laser vert, et les propriétés de traction ont été améliorées. La limite d'élasticité des alliages 6061 traités thermiquement avec une teneur en Ti de 1% a répondu aux normes de la AA6061 forgée, et l'allongement a atteint 12,6%. La résistance à la traction du 7075 approchait également les 400 MPa, bien qu'une amélioration supplémentaire de l'allongement soit nécessaire.

The purpose of this study is to use green laser SLM equipment to print crack-free 6061 and 7075 aluminum alloy samples and to investigate their mechanical properties. Compared to traditional infrared lasers, aluminum alloy powder has a higher absorption rate for green lasers, which means that lower energy densities can be used for printing. This reduces the evaporation of low-alloy elements. Additionally, Ti particles and TiC/SiC particles are added as nucleating agents to refine grains and reduce cracking. Three types of powders were prepared by mechanical mixing: 6061 + Ti particles, 7075 + Ti particles, and 7075 + TiC/SiC particles. The samples were printed using green laser equipment, different from the traditional infrared laser. The morphology and phase composition of the powders and printed parts were observed and studied using optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD). The strengthening mechanisms and mechanical properties of the printed samples were analyzed using high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), electron backscatter diffraction (EBSD), microhardness testing, and tensile testing equipment. By optimizing process parameters (laser power, scanning speed) and the proportion of added particles, crack-free 6061 and 7075 aluminum alloys were ultimately prepared, and their strengthening mechanisms were revealed. This provides a new approach for the SLM process to produce crack-free high-performance aluminum alloys.Experimental results indicate that during the green laser printing process with higher absorption rates, an energy density of 52.1 to 62.5 J/mm³ is sufficient to obtain relatively dense printed samples. The grains in the printed 6061 and 7075 aluminum alloy samples were large columnar grains (12.1-17.9 microns). The addition of titanium particles significantly refined the grains, transforming them into small columnar and equiaxed grains (0.9-1.63 microns). Besides serving as nucleation points, titanium particles reacted with the aluminum matrix to form Al3Ti, which was confirmed in the HRTEM of the 6061 prints and the XRD of the 7075 prints. The addition of titanium particles resulted in crack-free samples for both 6061 and 7075.Compared to the traditional infrared laser, the loss of Mg and Zn elements was reduced with the green laser, and the tensile properties were improved. The yield strength of the heat-treated 6061 alloys with 1% Ti content met the standards of forged AA6061, and the elongation reached 12.6%. The tensile strength of 7075 also approached 400 MPa, though further improvement in elongation is needed. Our attempts with 7075 + TiC/SiC also showed certain effects, indicating that printing aluminum alloys with a green laser is feasible