Stratégies d’élaboration de matériaux métalliques à contrôle local par fabrication additive

Strategies for the development of locally controlled metallic materials through additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Alexandre Margueret
• Direction : Pierre Lhuissier, Guilhem Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 24/04/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Véron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Peyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Thomas, Eric Hug
• DOI : 10.70675/1be934a0z12a6z49c5zb00dz3aa5696acdd2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Cuivre -- Alliages

Titane

Cuivre

Titane -- Alliages

Métaux

Microstructure (physique)

Mots clés libres

Gradient de porosité

Gradient de microstructure

Eb-Pbf

Ti-6Al-4V

Cuivre pur

Contrôle 3D

Porosity gradient

Microstructure gradient

Eb-Pbf

Ti-6Al-4V

Pure copper

3D control

Résumé

Les procédés de fabrication additive par fusion locale sur lit de poudre sont connus pour leur capacité à produire des pièces possédant des géométries complexes et ont acquis une certaine maturité ces dernières années. De nombreux efforts ont été réalisés pour maitriser les défauts de fabrication et leur impact sur les propriétés mécaniques, l’optimisation des stratégies d’élaboration, et le choix des géométries. Ces dernières années, de nouvelles machines de fabrication additive de fusion sur lit de poudre plus ouvertes ont été développées, offrant l’opportunité de contrôler l’ensemble des paramètres du faisceau au cours de l’élaboration. Cette liberté de contrôle local des paramètres peut être exploitée afin de contrôler localement la porosité et/ou la microstructure au sein de pièces élaborées par ces procédés.L’objectif de cette thèse consiste à étudier des stratégies permettant de contrôler localement la porosité et la microstructure au cours de la fabrication. Pour cela, une machine de fusion locale sur lit de poudre par faisceau d’électrons, dite « open-source », c’est à dire permettant de contrôler librement l’ensemble des paramètres du faisceau d’électrons a été utilisée (il s’agit de l’unique machine de ce type sur le territoire français). Les matériaux sélectionnés pour ce travail afin d’étudier ces contrôles locaux sont des matériaux modèles, respectivement l’alliage Ti-6Al-4V (l’un des matériaux emblématiques de la fabrication additive) et le cuivre pur (un métal pur qui présente son lot de challenges lorsqu’il est mis en œuvre par fabrication additive). Le contrôle local de la fraction de porosité dans des échantillons en Ti-6Al-4V s’effectue par des variations de vitesse de balayage pour diminuer localement l’apport d’énergie. Quant au contrôle local de la microstructure du cuivre pur, il s’appuie sur des stratégies de fabrication permettant de tirer profit d’une recristallisation in-situ.Qu’il s’agisse du contrôle de la porosité dans le Ti-6Al-4V ou du contrôle de la microstructure dans le cuivre pur, une démarche similaire a été mise en place. Dans un premier temps, l’impact de la modification des paramètres d’élaboration sur la fraction de porosité ou de grains équiaxes est présenté. Puis, la capacité à générer des zones uniformes (régimes permanents), des zones de transition (régimes transitoires), ainsi que des variations progressives en termes de fraction de porosité ou de grains équiaxes est illustrée. Des gradients de porosité ou des variations de la proportion de grains recristallisés ont été réalisés le long de la direction de fabrication ainsi que dans le plan de construction.

Powder bed fusion processes are known for their ability to produce parts with complex geometries and have reached a certain level of maturity in recent years. Significant efforts have been made to control manufacturing defects and their impact on mechanical properties, to optimize fabrication strategies, and to select suitable geometries. In recent years, new, more open powder bed fusion machines have been developed, offering the opportunity to control all beam parameters during fabrication. This freedom to locally control parameters can be exploited to locally control the porosity and/or microstructure within parts produced by these processes.The objective of this thesis is to study strategies for locally controlling porosity and microstructure during manufacturing. For this purpose, an open-source electron beam powder bed fusion machine, allowing complete control over all electron beam parameters, was used (this is the only machine of this kind in France). The materials selected for this work to study these local controls are model materials: Ti-6Al-4V alloy (one of the most emblematic materials in additive manufacturing) and pure copper (a pure metal that presents its own set of challenges when processed through additive manufacturing). The local control of porosity fraction in Ti-6Al-4V samples is achieved by varying the scanning speed to locally reduce energy input. The local control of pure copper microstructure relies on manufacturing strategies that take advantage of in-situ recrystallization.Whether it concerns controlling porosity in Ti-6Al-4V or controlling the microstructure in pure copper, a similar approach was adopted. First, the impact of parameter modification on porosity or equiaxed grain fraction is presented. Then, the ability to generate uniform zones (steady-state regimes), transition zones (transient regimes), and gradual variations in porosity or equiaxed grain fraction is demonstrated. Porosity gradients or variations in the proportion of recrystallized grains were achieved along the build direction as well as in the build plane.