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Matériau a gradient de fonction - acier 316L acier ferritique - fabrication additive.

Les matériaux à gradient de fonction ou FGM (Functionally Graded Material) possèdent des compositions, microstructures, …,  qui évoluent en continue dans l’épaisseur, leur conférant des propriétés remarquables. Cette nouvelle famille de matériaux commence à sortir du domaine académique pour entrer dans le domaine industriel pour des applications à haute valeur ajoutée.

Le concept de FGM inventé en 1984 au Japon

Le concept de « Functionally Graded Material » a été inventé par un scientifique japonais en 1984 qui travaillait sur un matériau capable de tenir à des températures élevées pour des applications spatiales. Le concept a été depuis repris partout dans le monde et on a réalisé l’importance de cette nouvelle famille de matériaux. Le premier congrès international sur les FGM s’ait tenu au Japon (Sendai) en 1991 et le 16^ème congrès se déroulera aux Etats Unis en 2021 à Hartford.

La nature et les matériaux à gradient de fonction

La nature utilise très largement des matériaux dont les propriétés évoluent dans l’épaisseur. C’est le cas par exemple de la structure des os, des dents des animaux ou des fibres végétales (bambou, …). Le concepteur de matériau et l’ingénieur peuvent ainsi s’inspirer largement des matériaux naturels. Ce nouveau domaine scientifique appelé biomimétisme, fait d’ailleurs l’objet de très nombreux développements, de salons techniques spécialisés (biomimexpo) et de publications en grand nombre.

Le principe des matériaux à gradient de fonction

Les FGM sont caractérisés par une variation continue de leur caractéristiques structurales (composition chimique, microstructure, …) ce qui induit une variation continue des propriétés fonctionnelles du matériau. A contrario, par exemple, les matériaux composites (CMM) présentent, quant-à-eux, une interface « abrupte » entre la matrice et le composite inséré (céramique, …). Cette interface peut initier des fissures qui conduiront à termes à la rupture de la pièce. Dans les FGM, cette interface est remplacée par une transition « en douceur » d’un matériau à l’autre. L’absence d’interface franche entre les 2 matériaux limite alors la fragilisation et améliore les performances fonctionnelles des pièces. De plus, on peut tirer parti du meilleur de chaque matériau pour la tenue mécanique, la tenue en température ou la résistance à la corrosion.

Les FGM minces ou massifs

Il existe essentiellement 2 grandes familles de FGM ; les FGM minces (dit FGM coating) et les FGM massifs (dits FGM bulk) . Les FGM minces sont réalisés par des process comme le PVD, le PACVD, le CVD, le cold spray ou la projection plasma et impactent uniquement la surface de la pièce tandis que les FGM massifs concernent l’intégralité de la pièce (ou une grande partie) et sont réalisés par des process comme la métallurgie des poudres, la fabrication additive (laser cladding, …) et la fonderie. Les FGM trouvent des applications dans des domaines comme le spatial, l’automobile, la médecine, l’énergie ou des capteurs.

La fonderie pour réaliser des gradients

Les technologies de fonderie sont particulièrement adéquates pour réaliser naturellement des gradients de propriétés ou de microstructure. En effet, la solidification se propage de la surface d’une pièce vers son cœur. La vitesse de solidification est donc beaucoup plus importante en surface qu’au cœur des pièces créant ainsi un gradient de taille de grain continue et donc des propriétés mécaniques hétérogènes (loi de Hall-Petch).

Les structures equiaxes et à gradient orienté en fonderie cire perdue

La fonderie en cire perdue, permet, dans certaines conditions de process d’obtenir des structures orientées dans l’espace. En effet, un gradient thermique marqué dans une direction lors de la solidification va induire une microstructure dite colonnaire avec des grains très allongés dans une direction. Enfin, une solidification dirigée avec utilisation d’un sélecteur de grain (ou d’un germe en fond de moule) permet d’obtenir des pièces – typiquement des aubes de turbine (en moulage cire perdue)-  avec une structure monocristalline (un seul grain). Un matériau avec une structure de grains colonnaires aura des propriétés mécaniques anisotropes alors qu’elles seront davantage isotropes si sa structure de grain est de type équiaxe. D’une manière générale, la croissance équiaxe est favorisée si la vitesse de solidification, la concentration en éléments d’alliage, ainsi que le nombre de sites de germination sont importants.

La fonte à gradient de propriétés

Les fontes se prêtent également aux gradients. Ainsi, le CTIF a développé une fonte avec un gradient de microstructure dans le sens  de l’épaisseur d’un disque de frein. Cette pièce possède près de la surface une matrice perlitique avec des dendrites primaires d’austénite et à cœur, une matrice perlitique. Sur la surface, la longueur du graphite interdendritique est inférieure à 100 µm alors qu’en profondeur, les particules de graphite sont longues de 300 µm. Par rapport à deux autres nuances de fonte (FGL traditionnelle et fonte enrichie à l’azote), la fonte avec un gradient de microstructure, et donc avec une réduction de la longueur de particules de graphite en surface, limite la propagation de fissures.

Les structures lattices

Les structures lattices métalliques issues de fonderie (technologie CTIF) ou de fabrication additive sont à même de réaliser des méta-matériaux de type FGM (conjonction de la microstructure des brins avec la macro-structure). Si de nombreuses structures lattices sont isotropes (ou quasi-isotropes), d’autres, à contrario, privilégient une évolution brutale ou progressive de la maille (taille des pores, orientation dans l’espace) qui leur permettent de réaliser des matériaux à gradient fonctionnel. Si la composition chimique et la microstructure sont homogènes dans la structure, la maille élémentaire des pores par contre va évoluer dans une ou plusieurs dimensions.

La centrifugation pour réaliser des FGM

Le procédé de fonderie par centrifugation (vertical ou horizontal) permet de réaliser assez facilement un gradient de microstructure dans l’épaisseur à faible coût. C’est la méthode la plus utilisée pour produire des FGM à base aluminium, cuivre ou d’autres matériaux ferreux.

En effet, la force centrifuge a un impact marquée sur les éléments d’alliage plus lourds, qui sont « expulsés » vers l’extérieur de la pièce (en contact avec le moule) alors que les éléments plus légers restent vers l’intérieur. En particulier, les Composites à Matrices Métalliques (CMM) qui incorporent des particules de céramiques à une matrice métallique peuvent être mis en forme par centrifugation avec des gradients de concentration de céramique (10 % à 20 % de particules au centre et 40 % de renfort en bord extérieur par exemple), ce qui plus difficilement réalisable par les autres procédés.

Le squeeze casting

Le squeeze casting direct permet également de réaliser des gradients de fonction en infiltrant une préforme en céramique, disposée préalablement dans le moule, avec du métal liquide. Cette méthode permet en particulier de réaliser des composites (SiC, Al₂O₃) base aluminium. La fonderie sous pression peut être également utilisée. La préforme en position verticale devra être tenue lors de la fermeture du moule. Comme en squeeze casting, la pression de multiplication forcera le métal à infiltrer la préforme.

L’insertion à la coulée

L’insertion à la coulée permet de réaliser un bimatériau métallique avec une zone d’interface qui présente une zone de diffusion d’un élément dans l’autre. Sans réellement constituer véritablement un matériau à gradient, car la zone de transition est en général assez réduite, les bimatériaux tirent cependant partie des propriétés des 2 matériaux utilisés. Il nous paraissait utile de les citer.

La fabrication additive et les FGM

La fabrication additive (SLM, Laser Cladding, WAAM, …) explore de nombreux couples de matériaux à gradient de fonction. On peut citer des articles sur les alliages base titane (Ti6Al4V/TiC particulaire, Ti6Al4V/acier 316L, Ti6Al4V/acier 304L, Ti6Al4V/Invar, Ti6Al4V/Mo particulaire, Ti6Al4V/Al2O3, Ti6Al4V/AlSi10Mg), les alliages base fer (316L/Stellite12, 316/Cu, 316L/acier ferritique P21, 316L/NiCr, 316L/Inconal718, 316L/Fe3Al, 316L/H13, 304L/Inconel625, Fe/Cr/Ni, ), base aluminium (AlSi10Mg) ou Inconel718.

Dans certains cas, ce sont les paramètres de lasage (puissance, recouvrement, stratégie de lasage) eux-mêmes qui par leur modulation en cours de fusion selon les zones de pièce permettent d’obtenir le gradient de structure.  Des FGM à gradient de porosité sont également étudiés en particulier dans le domaine médical pour reproduire la porosité osseuse. Il est clair que la fabrication additive se prête très bien à la fabrication des FGM car elle offre une très grande souplesse et une gamme de plus en plus importante de poudres disponibles. Sa maîtrise peut cependant rester délicate.

Les verrous technico-économiques

Si les FGM suscitent de grands espoirs, leur utilisation est encore limitée à quelques applications à haute valeur ajoutée. Plusieurs verrous limitent en effet leur diffusion. Tout d’abord, les FGM sont complexes à appréhender et à caractériser. La simulation numérique de leurs comportements demeure encore délicate et nécessite des maillages spécifiques et des méthodes de résolutions spécifiques (Boundary Element Method). Ensuite, leur production industrielle est pointue et plus délicate à reproduire que celle des matériaux homogènes conventionnels. Enfin, leur coût de production est relativement élevé par rapport aux matériaux traditionnels, ce qui limite leur usage.

Conclusions

Les FGM (Functionnally Graded Materials) sont une nouvelle classe de matériaux métalliques qui présentent l’avantage de présenter une variation continue de leurs propriétés mécaniques. Plusieurs process de fabrication permettent leur production (fabrication additive, fonderie, …). A l’heure actuelle, les FGM sont encore peu utilisés industriellement et sont réservés à des applications à haute valeur ajoutée. La fabrication additive métallique est clairement le process qui, à l’heure actuelle, étudie le plus ces nouveaux matériaux.