Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article traite des microstructures et du comportement mécanique de l’alliage Ti-6Al-4V mis en œuvre par fabrication additive, en comparaison avec ses équivalents corroyés. Après une présentation des principales transformations de phases au sein de l’alliage Ti-6Al-4V, le lien entre procédé, microstructure et propriétés mécaniques, les mécanismes de formation des défauts et les effets des post traitements sont décrits.
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This article discusses the microstructures and mechanical behaviour of the Ti-6Al-4V alloy used in additive manufacturing, in comparison to its wrought counterparts. After a presentation of the main phase transformations within the Ti-6Al-4V alloy, the relationship between process, microstructure and mechanical properties, defect formation mechanisms and post-treatment effects are described.
Auteur(s)
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Charlotte de FORMANOIR : Chercheure postdoctorat, Paul Scherrer Institut, - Villigen PSI, Suisse
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Stéphane GODET : Professeur – Université Libre de Bruxelles, - Centre de recherche Materials Engineering, Characterization, Synthesis and Recycling (4MAT), Bruxelles, Belgique
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Mohamed GOUNE : Professeur – Université de Bordeaux, - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, - UMR 5026 (CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP), Pessac, France
-
Sylvie BORDÈRE : Chargée de recherche – CNRS, - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, - UMR 5026 (CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP), Pessac, France
-
Stéphane GORSSE : Maître de conférences – Bordeaux INP, - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, - UMR 5026 (CNRS, Univ. Bordeaux, Bordeaux INP), Pessac, France
INTRODUCTION
Au vu de la difficulté de mettre en forme le titane et ses alliages par des procédés conventionnels, la fabrication additive apparaît de plus en plus comme une alternative séduisante pour la production de structures à la géométrie complexe [BM 7 940]. Parmi les différentes technologies de fabrication additive, les procédés de fusion de lit de poudres [BM 7 900] permettent d’obtenir la meilleure précision dimensionnelle. Elle consiste à fabriquer une pièce tridimensionnelle, couche par couche, par fusion sélective de poudre. La fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting, EBM) et la fusion sélective par laser (Selective Laser Melting, SLM, ou Laser Beam Melting, LBM) sont à ce jour les deux technologies les plus employées pour la fabrication additive de l’alliage de titane Ti-6Al-4V. Quelle que soit la source d’énergie employée pour la fusion du lit de poudre – faisceau d’électrons ou laser –, la microstructure et les propriétés mécaniques sont conditionnées par l’histoire thermique. La microstructure résultante et les éventuels défauts présents au sein du matériau peuvent, dans une certaine mesure, être modifiés par des traitements thermiques ultérieurs.
Dans cet article, nous rappelons tout d’abord les bases de la métallurgie du titane en nous focalisant sur les transformations de phases au sein de l’alliage Ti-6Al-4V (§ 1.1). Nous décrivons ensuite les microstructures typiques obtenues en sortie de machine. Elles sont comparées à celles générées lors de procédés de corroyage conventionnels (§ 1.2). Nous nous attachons également à l’étude des différents défauts pouvant apparaître en cours de fabrication (porosités, rugosité de surface et contraintes résiduelles) et présentons une approche permettant de décrire le lien de causalité avec les paramètres de construction et la formation des porosités (§ 2). Les différents post-traitements, thermiques ou mécaniques, pouvant être mis en œuvre afin de minimiser l’influence des défauts et d’optimiser la microstructure du matériau sont introduits (§ 3). Les propriétés mécaniques de l’alliage Ti-6Al-4V produit par SLM et EBM sont ensuite présentées (§ 4).
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations et des symboles utilisés.
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additive manufacturing | titanium alloys
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Défauts inhérents aux pièces obtenues par fabrication additive
En anglais
1. Microstructures de pièces en Ti-6Al-4V mises en œuvre par fabrication additive
1.1 Métallurgie du titane et de l’alliage Ti-6Al-4V
Le titane présente une densité de 4,5 et fait donc partie de la famille des métaux légers comme l’aluminium et le magnésium. Outre sa faible densité, le titane possède une excellente résistance à la corrosion grâce à la couche de quelques nanomètres d’oxyde qui le passive en surface. Le titane est également un des rares métaux biocompatibles et présente de très bonnes capacités d’ostéo-intégration, ce qui en fait un métal de choix pour le domaine biomédical. Le titane pur possède une résistance mécanique relativement basse, de l’ordre de 450 MPa. L’addition d’éléments d’alliage permet toutefois d’améliorer considérablement ses propriétés mécaniques. Le titane pur présente une transformation de phases allotropique à une température de 882°C où il passe d’une structure hexagonale compacte (hcp) (phase α) à basse température, à une structure cubique centrée (bcc) stable à haute température (phase β). Selon qu’ils stabilisent la phase α ou la phase β, les éléments d’alliage sont appelés éléments α-gènes, ou éléments β-gènes. Les sections isothermes du diagramme de phases ternaire Al-Ti-V présentées à la figure 1 montrent l’influence de la concentration en Al (α-gènes) et V (β-gènes) sur les températures de transformation de phases et l’amplitude d’un domaine biphasé α + β. Selon leur composition chimique, les alliages de titane seront donc soit monophasé α, soit biphasé α + β, soit monophasé β à température ambiante. La température à laquelle la phase α apparaît lors d’un refroidissement s’appelle le transus. Pour une description détaillée des différents alliages de titane et de leurs propriétés, le lecteur est renvoyé aux références [M 685] ...
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Microstructures de pièces en Ti-6Al-4V mises en œuvre par fabrication additive
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOYER (R.), WELSCH (G.) - Materials Properties Handbook : titanium alloys. - ASM International (1994).
-
(2) - Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5), Annealed Bar. - http://www.matweb.com (n.d.) http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=10d463eb3d3d4ff48fc57e0ad1037434 (2018).
-
(3) - Titanium Ti-6Al-4V ELI (Grade 23), Annealed. - http://www.matweb.com (n.d.) http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=c4297fb8f1094da189732c224e3be1ed (2018).
-
(4) - RAFI (H.K.), KARTHIK (N.V.), GONG (H.), STARR (T.L.), STUCKER (B.E.) - Microstructures and Mechanical Properties of Ti6Al4V Parts Fabricated by Selective Laser Melting and Electron Beam Melting. - J. Mater. Eng. Perform. 22, p. 3872-3883 (2013).
-
(5) - LÜTJERING (G.) - Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α + β) titanium alloys. - Mater. Sci. Eng. A. 243, p. 32-45 (1998).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Fabrication additive – Principes généraux – Terminologie. - NF EN ISO/ASTM 52900 - mai 2017
-
Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate. - ASTM B265-15 - 2015
ANNEXES
Le procédé de fabrication additive, né en 1984, était principalement utilisé pour le prototypage rapide d’objets polymères.
ANDRÉ (J.-C.), LE MÉHAUTE (A.), DE WITTE (O.), Dispositif pour réaliser un modèle de pièce industrielle, FR2567668A1, 1984 ( https://bases-brevets.inpi.fr/fr/document/FR2567668.html).
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