Démonstrateur en alliage haute entropie - CrMnFeCoNi.
Les nouveaux alliages développés pour la fabrication additive ont pour objectif d’offrir à cette technologie en croissance des solutions sur-mesure auxquelles ne répondent qu’imparfaitement les alliages traditionnels développés pour d’autres procédés de transformation (forge, fonderie, laminage, …). Dans cet article, nous faisons le point sur les alliages existants et les développements en cours.
La problématique et les enjeux
Bien qu’encore en évolution constante, la fabrication additive métallique a atteint une certaine maturité technique (machines disponibles, méthodologie de conception des pièces, …, retour d’expérience sur les propriétés fonctionnelles comparativement aux procédés traditionnels, sous-traitants disponibles, normalisation). Elle faisait appel cependant encore majoritairement à des nuances d’alliages – sous forme de poudre atomisée, de fils, …- identiques aux alliages traditionnels. Les poudres sont relativement onéreuses (50-80 €/kg en acier inoxydable et 300-500 €/kg en titane) et constituent une part non négligeable du coût pièce. Le surcout des poudres est lié à l’opération d’atomisation, à son faible rendement ou à des quantités produites encore réduites en regard de la métallurgie traditionnelle.
Un développement de la fabrication métallique en forte croissance
Selon le Wohlers Report 2021 [1] et malgré la COVID-19, l’industrie de la fabrication additive a connu une croissance de 7,5% pour atteindre une valeur de 12,8 milliards en 2020. Sur 10 ans, les prévisions montrent que le secteur aura probablement une croissance annuelle autour de 27%, tirée par la demande de nombreux secteurs (aéronautique, médical, outillage, …). Cette hausse spectaculaire de croissance (figure 1) est principalement due à l’amélioration des méthodes de contrôle des processus et à l’assurance qualité dans les métaux. Ces chiffres montrent également que les industriels, partout à travers le monde, ont pris conscience des avantages de cette technologie. Ainsi, la place des métaux et des polymères au sein du marché de la fabrication additive tend à s’équilibrer.
Vers un développement de nouvelles nuances de poudre
Plusieurs drivers devraient faciliter le développement de nouveaux alliages dédiés à la fabrication additive. Tout d’abord, la haute valeur ajoutée des poudres n’est pas un obstacle au coût de développement même pour des marchés de niche. Ensuite, le faible nombre de nuances actuelles pousse au développement de nouveaux produits. Enfin, comme toute technologie, il est nécessaire d’avoir des alliages bien adaptés qui tirent pleinement profit des très grandes vitesses de solidification tout en minimisant les porosités internes et en facilitant le recyclage des poudres. Bref, de nouveaux alliages adaptés à une nouvelle technologie. Ces développements prendront quelques années, car cela nécessite des étapes de R&D, de qualification, de normalisation et un panel de fournisseurs susceptibles de mettre en forme ces nouvelles poudres.
L’aluminium et son imprimabilité
Toutes les nuances d’aluminium conventionnelles ne sont pas disponibles et « imprimables » (figure 2). Cette disponibilité est cependant fortement fonction de la technologie d’impression 3D considérée.
Ainsi, il existe une moindre disponibilité des alliages pour le lit de poudre (SLM, …) alors que les technologies de fabrication additive utilisant du fil (WAAM, …) trouvent une source d’approvisionnement grâce au fil de soudure.
En fait, la plupart des alliages des séries 2000, 6000 et 7000 posent un certain nombre de problèmes en fabrication additive à cause de leur forte tendance à la crique et du fait de certains éléments d’alliage hautement volatils (Zn, Mg, …) qui peuvent s’évaporer pendant la phase de fabrication.
Le Aheadd CP1 et HT1 de Constellium
Constellium a développé deux nouveaux alliages d’aluminium [2] pour la fabrication additive sur lit de poudre : le Aheadd® CP1 (alliage base Al-Zr-Fe) et le Aheadd® HT1 (alliage base Al-Mn-Ni-Cu-Zr), destinés à de nouvelles conceptions ou au remplacement de composants en fabrication additive en titane ou en acier. Ces deux alliages sont adaptés aux contraintes métallurgiques liées à une solidification rapide. Ils ne contiennent en particulier pas de magnésium ou de zinc (volatils), ce qui réduit les fumées et améliore la stabilité du bain de fusion. De plus, le CP1 présente des propriétés mécaniques améliorées par rapport à l’aluminium-silicium et l’alliage 6061 T6 avec une stabilité thermique permettant des températures en service supérieures à 200°C. Cet alliage a de plus l’avantage de ne nécessiter aucun traitement de trempe ou de mise en solution pour obtenir des propriétés mécaniques homogènes, minimisant ainsi les post-traitements complexes.
Le Scalmalloy d’Airbus Group
Le Scalmalloy [3] est un alliage d’aluminium (Al-Mg-Sc) à hautes performances (Rm 520 MPa, Rp0.2 490 MPa, A 14 %, dureté 180 HV0.3) développé pour la technologie SLM. Sa particularité est d’être enrichie en scandium (terre rare) à hauteur de 0.6-0,8 %, ce qui lui confère une haute tenue mécanique alliée à une faible masse volumique. On constate (figure 3) une augmentation de 80% de la limite élastique, de 20% de la résistance à la rupture et de 120% de la ductilité par rapport à l’alliage traditionnel AlSi10Mg. Cet alliage a été développé par APWorks (Airbus Group) pour des applications en aéronautiques notamment.
Le Scalmalloy est revendiqué comme ayant de plus des propriétés remarquables en tenue à la corrosion, soudabilité, une microstructure stable jusqu’à 250°C, une bonne usinabilité et un coefficient de dilatation thermique bas. En 2015, le géant européen s’était déjà illustré en fabriquant le plus grand composant de cabine d’avion imprimé en 3D, une cloison pour l’Airbus A320. Qualifiée de « bionique » en raison de sa conception basée sur le modèle de la structure cellulaire et le développement osseux, la cloison était 45% plus légère que les modèles actuels soit 30 kg en moins. La pièce a été imprimée sur trois machines différentes : la Concept Laser M2, l’EOS M290, et l’EOS M400.
L’ajout de silicium dans des nuances 7075 ou 6061
L’ajout de silicium dans des nuances 7075 et 2024 semble avoir un impact très positif dans la réduction des criques de solidification en fabrication additive. Le silicium réduit en effet l’intervalle de solidification, augmente la fluidité de la phase de ces nuances, réduit le retrait et les retassures pendant la solidification et limite leur tendance à la crique.
Un alliage d’aluminium 7075 avec ajout d’affinant
Les laboratoires HRL Additive travaillent sur le développement d’un alliage d’aluminium 7075 spécifique pour le SLM. Rappelons tout d’abord que le 7075, utilisé largement dans l’aéronautique, possède des caractéristiques mécaniques élevées (Rm de 570 MPa, Rp0.2 de 500 MPa). Le défi était que les alliages de la série 7000 sont généralement considérés comme non soudables avec une très forte tendance à la crique pendant la solidification, les rendant impropres à une utilisation en fusion laser sur lit de poudre. HRL a réussi à contrôler la microstructure pendant la solidification à l’aide d’un affineur de grains à nanoparticules afin de favoriser la nucléation de nouveaux grains lors de la fusion laser. Après l’étude de plusieurs milliers de structures intermétalliques, le système intermétallique Al3Zr a été identifié comme la structure idéale à cet effet. Il en résulte une microstructure sans fissures avec une taille de grain d’environ 5 µm (beaucoup plus fine qu’avec le matériau non modifié). La vaporisation du zinc et du magnésium, durant l’opération de SLM, à nécessité d’ajuster la teneur de ces 2 éléments dans la poudre réalisée afin de tenir compte des pertes. La NASA’s Marshall Space Flight Center est le premier utilisateur de cet alliage appelé 7A77.60L, de composition (Cu 1.1-2.1 %, Mg 1.8-2.9%, Zn 4.5-6.1%, Zr 0.5-2.8%, Cr< 0.1 %), disponible en poudre de 20-65 µm et qui atteint un Rm entre 490 et 585 MPa, un Rp0.2 entre 520 et 615 MPa et un allongement entre 6 % et 14 %.
Les aciers à outils – les nuances
Les aciers à outils sont un marché important de la fabrication additive car cette technologie permet de réaliser des éléments de moule avec des canaux de refroidissement courbes (appelés Conformal Cooling) qui permettent de mieux refroidir les zones massives de pièces et offrent des gains possibles en temps de cycle. Tous les fournisseurs majeurs d’acier pour outillages ont ainsi développé des nuances adaptées à la fabrication additive.
Le Pearl®Micro TS700 (Figure 4) est un acier à outils à 5% de chrome à durcissement par précipitation d’Aubert et Duval. C’est un acier adapté au contraintes liées à la fabrication additive utilisant de la poudre métallique fusionnée pour la fabrication d’outillage de fonderie sous pression et d’outils de travail à chaud plus généralement. Le BÖHLER AMPO W360, quant-à-lui, est un acier à outils conçu par Voestalpine. C’est un acier conçu comme une alternative améliorée aux aciers a outils dit standards, tels que le 1.2709 (Maraging 300), le 1.2343 ESR (H11) et le 1.2344 ESR (H13) pour une utilisation dans le travail à chaud notamment la fonderie sous pression et le moulage en coquille gravité. Enfin, le Dievar est un acier allié au chrome-molybdène- vanadium pour le travail à chaud développé par Uddeholm pour les applications de fonderie sous pression. Cet acier existe sous forme massive ou en poudre et il a des propriétés supérieures à celles de H13 et de H11 notamment dans la résistance au chocs thermiques.
Les aciers à outils – le phénomène de fissuration
En effet, la fissuration et la délamination sont des défauts, omniprésents en fabrication additive faisant appel au soudage qui sont liés à la signature thermique du procédé mais également aux caractéristiques intrinsèques du matériau mis en œuvre. Il existe ainsi deux formes majoritaires de fissuration ; la fissuration à chaud (typiquement lors de la solidification et qui dépend principalement de la nature du matériau) et la fissuration à froid issue généralement d’une forte concentration de contraintes résiduelles. Le point commun de ces nouveaux aciers est le développement de la résistance à la fissuration à chaud provoquée par les chocs thermiques notamment dans le domaine de la fonderie sous pression. La ductilité est un élément clé dans l’amélioration de la durée de vie des outillages. La dureté pouvant être améliorée par un traitement de surface adaptée à la nature des sollicitations.
Utilisation du diagramme de Schaeffler
Le diagramme de Schaeffler [4] est utilisé pour identifier d’éventuels risques de fissuration à la soudure. Il se base sur l’analyse de la composition chimique (figure 5) de l’acier.
Ce diagramme (figure 6) a été établi suite à des examens métallographiques permettant de définir la teneur en ferrite de l’acier mais il prend également en compte les effets cumulés des éléments alphagènes (chrome équivalent) et gammagènes (nickel équivalent) de l’acier.
Le nickel et le chrome équivalents sont des paramètres fournissant des informations sur les fractions microstructurales dans les aciers alliées (figure 7) : le nickel favorise la formation d’austénite et le chrome la formation de ferrite. Le positionnement du Creq et du Nieq sur le diagramme de Schaeffler permettra d’estimer le risque de fissuration.
Formules de calcul du Creq et Nieq:
- Creq = (Cr)+2(Si)+1,5(Mo)+5(V)+5,5(Al)+1,75(Nb)+1,5(Ti)+0,75(W)
- Nieq = (Ni)+(Co)+0,5(Mn)+0,3(Cu)+25(N)+30(C)
Cependant, il est important de noter que l’utilisation de ce diagramme pour l’application fusion laser est limitée par le fait que cette approche a été développée essentiellement pour les aciers austénitiques en soudage alors que les aciers à outil sont des aciers martensitiques. L’approche par le diagramme de Schaeffler est donc essentiellement qualitative dans notre cas.
L’alliage de Cantor haute entropie
Au salon FormNext 2019 était présentée une pièce de type turbine en alliage haute entropie (HEA pour High Entropy Alloy). Ce démonstrateur, développé par le Fraunhofer IWS (Institut für Werkstoffund Strahltechnik ) à Dresde en Allemagne, a été réalisé en alliage de Cantor (CrMnFeCoNi) par la technologie de fil fondu (FFF pour Fused Filament Fabrication, encore appelée quelquefois FDM). L’alliage de Cantor est le plus connu des alliages à haute entropie. Les alliages à haute entropie ne sont au centre des préoccupations des chercheurs et des ingénieurs que depuis 2004. Ils présentent la particularité de comprendre au moins cinq composants différents, chacun dans des proportions élevées. La différente de taille des atomes présents en proportion élevée induit de fortes distorsions du réseau atomique et donc une résistance et une stabilité thermique élevées. Les HEA sont pressentis pour avoir des applications en aéronautique, mais plus généralement là où les contraintes de températures sont extrêmes (énergie, surface d’outillage).
Les matériaux hybrides métal-céramique
Des entreprises vendent des machines utilisant des matériaux céramiques ou encore des systèmes hybrides mélangeant la céramique et le métal. Pour ces derniers, les principaux champs d’applications sont le dentaire, le médical, le biomédical, l’aéronautique, le spatial, l’automobile ou encore les appareils ménagers. Ces matériaux sont généralement résistant à la chaleur, recyclables et garantis sains pour l’alimentation. Des travaux de R&D ont mélangés une poudre d’Al-Fe et une poudre de céramique SiC pour obtenir des composites par technologie SLM avec une amélioration des propriétés mécaniques.
Les composites à matrice métalliques en fabrication additive
Des travaux récents ont été consacrés à la mise en œuvre de composites à matrice titane par le procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée (DMD). Ce procédé est déjà envisagé pour le rechargement et la réparation des aubes en titane dans le secteur aéronautique. Par ailleurs, les composites à matrice métallique et en particulier les composites à matrice titane (CMTi), présentent généralement des propriétés mécaniques attractives à haute température ou pour des régimes d’abrasion sévère. La fabrication additive directe de CMTi est donc, a priori, un véritable enjeu technologique et industriel pour le secteur aéronautique. L’étude a porté sur des mélanges projetables de poudre Ti-6Al-4V avec renfort de carbure de bore B4C.
Le matériau composite élaboré par FDPL répond donc aux objectifs initiaux pour ce qui concerne les propriétés mécaniques à haute température malgré un certain nombre de limitations. Pour que ces matériaux composites élaborés par FDPL soient attractifs industriellement, il a été démontré la possibilité de fabriquer des pièces présentant des géométries relativement complexes. Les différentes pièces fabriquées illustrent le degré de maturité de ce couple matériau/procédé. De nombreuses autres études (figure 8) concernent les composites à matrice métalliques base aluminium, titane, fer, nickel, …
Nouvel alliage de cuivre développé par la NASA
Des chercheurs de la NASA [5] ont développé et imprimé en 3D un nouvel alliage à base de cuivre destiné aux composants de propulsion de fusées. Le GRCop-42 et le GRCop-84 (Cu6.5Cr5.6Nb1.13Cr), alliage à base de cuivre à haute résistance et haute conductivité, a été créé par une équipe du centre de vol spatial Marshall (MSFC) de la NASA en Alabama et du centre de recherche Glenn de la NASA (GRC) en Ohio. La poudre métallique est utilisée pour produire des pièces imprimées en 3D telles que des revêtements de chambres de combustion et des plaques frontales d’injecteur de carburant.
La fabrication de pièces en multi matériaux
Les procédés de fabrication multi matériaux sont émergents pour la technologie SLM (Selective Laser Melting) de fusion par laser sur lit de poudre. Le potentiel est important car plusieurs configurations sont possibles. Tout d’abord une transition discrète entre deux matériaux au niveau d’une couche donnée (figure 9) ou une transition continue par variation progressive de la teneur en chaque matériau (matériau à gradient de fonction).
Toutefois, on ne peut créer ainsi qu’un gradient vertical. Par ailleurs, se pose ici la question majeure du recyclage des poudres une fois mélangées en SLM. De ce point de vue, le laser cladding semble plus favorable. Le Cetim-CTIF travaille ainsi, au travers du projet INFINITE, sur des éléments de moule en bi-matériaux pour optimiser les échanges thermiques.
Les intermétalliques, verres métalliques et alliages à mémoire de forme par fabrication additive
De nombreux projets de R&D s’intéressent au développement de deux familles d’alliages intermétalliques résistants à de hautes températures, la famille des TiAl et la famille des NbSi.
Grace aux très hautes vitesses de solidification obtenues par SLM, la fabrication de pièces en verre métallique semble également très intéressante. Enfin, les alliages à mémoire de forme comme le Nitinol (NiTi) sont aussi des candidats intéressants [6] pour les applications en fabrication additive dit 4D (évolution de la géométrie dans le temps) avec des développements chez Nimesis.
Conclusions
Le nombre de nuances de poudres disponibles pour la fabrication additive est encore limité et souvent de même composition que les alliages traditionnels (inox 316 L, TA6V, AlSi10Mg, …). Cependant de nouvelles nuances apparaissent (Scalmalloy, …) et d’autres sont en développement dans les centres de R&D et chez les fournisseurs. Dans le futur, avec le développement des applications et des marchés, on peut raisonnablement penser que de nouveaux matériaux, toujours spécifiquement développés pour la fabrication additive verront encore le jour.
Bibliographie
[1] Nouveaux matériaux en fabrication additive : a3dm-magazine. https://www.a3dm-magazine.fr/magazine/toutes-industries/nouveaux-materiaux-fabrication-additive
[2] 4D Investigation of new Aluminum Alloy for Additive Manufacturing. Katrin Bugelnig, Christoph Wielenberg, Bechir Chehab and alii, Microscopy and Microanalysis, Volume 28 , Supplement S1 , August 2022 , pp. 292 – 293
[3] Influence of contour scans on surface roughness and pore formation using Scalmalloy® manufactured by laser powder bed fusion (PBF-LB), T. Reiber,J. Rüdesheim and alii, April 2021, Material Science and Engineering Technology, https://doi.org/10.1002/mawe.202000287
[4] Diagramme de Shaeffler : https://www.rocdacier.com/diagramme-de-schaeffler/
[5] Nouvel alliage à base de cuivre développé par la NASA – https://3dprintingindustry.com/news/nasa-develops-new-copper-alloy-for-3d-printing-rocket-components-151593/
[6] 4D PRINTING OF NITINOL SHAPE-MEMORY COMPONENT MADE BY SLM, P. Didier, P. Lohmuller, F. Fouché, A. Makaya, J. Sicre, P. Laheurte, European space mechanisms and tribology symposium 2021
Remerciements à Sabeur Jedid et à Patrick Hairy pour la rédaction de cet article qui est paru initialement dans la revue Forge Fonderie (publiée par la Fédération Forge Fonderie) de décembre 2022.
J’aime bien comprendre les phénomènes physiques. De ce point de vue, la simulation numérique est pour moi une voie de progrès incontournable.
Very nice article, exactly what I needed.
Hello Daniel. Thank you very much for your interest in our paper on new alloys for additive manufacturing
Merci Sabeur pour ce bon article.
Bonjour Fernando et merci d’avoir apprécié cet article de MetalBlog sur les nouveaux alliages pour la fabrication additive.
Très intéressant. Concernant la matrice titane imprimé selon le procédé de fabrication directe par fusion laser de poudre projetée (DMD). Cela signifie donc que par ce biais on peut obtenir des matériaux à gradient fonctionnel (FGM) ?
Bonjour Baptiste et merci de votre intérêt marqué sur la qualité de notre article de MetalBlog sur les nouveaux alliages pour la fabrication additive. Oui, en effet, ce procédé, comme d’autres aussi, permettrait de réaliser des matériaux à gradients. Sur de tels matériaux (FGM), la mise au point sera plus complexe qu’avec des matériaux traditionnels. La variation de composition chimique peut vouloir dire aussi l’utilisation de paramètres de fabrication évolutifs notamment la puissance, la vitesse de déplacement et le débit massique de projection de poudre qui a une influence directe sur l’épaisseur des couches.