La mise en forme de métaux et d’alliages métalliques par fusion laser sur lit de poudre pour applications à haute température

Résumé

Pour de nombreux dispositifs travaillant à haute et très haute température, l'augmentation des performances vient avec l'élévation de la température d'opération. Bien que les procédés de fabrication additive permettent d'élargir la plage d’utilisation des matériaux traditionnels, de nouveaux matériaux sont nécessaires pour dépasser leurs limites. Ce projet se concentre sur la recherche d’une alternative plus performante aux matériaux communément utilisés dans la chambre de combustion et l'assemblage du rotor d'une microturbine à architecture renversée. Ce projet vise des métaux réfractaires, un alliage de titane de nouvelle génération et un intermétallique à base d’aluminures de titane, mis en forme par fusion laser sur lit de poudre. L’objectif est de réduire les contraintes d’intégration des nouveaux matériaux sur des machines à puissance limitée, sans contrôle de température dans la chambre d’impression. Le projet commence par collecter des informations sur le bain de fusion par des approches numériques et expérimentales, puis continue avec un plan d'expériences réduit pour produire des échantillons pour analyses structurales et tests mécaniques et obtenir des jeux de paramètres optimisés spécifiques à chaque matériau. Enfin, des pièces de précision, d’autres à géométries complexes, voire de premiers prototypes, sont fabriqués pour tester l’imprimabilité et la robustesse des paramètres retenus. Le projet débute avec le tungstène et le molybdène. Un modèle numérique a permis de définir rapidement un plan d’expériences et d'obtenir des échantillons sans fissures, avec des propriétés compétitives par rapport à la métallurgie des poudres conventionnelle. L'ajout de rhénium au molybdène et le recours à des post-traitements ont amélioré les propriétés mécaniques, bien que des problèmes d'oxydation aient limité les performances à haute température. Les limites d'imprimabilité ont été déterminées, et un prototype d'injecteur micro-prémélangé en molybdène pur a été produit, bien qu'il n'ait pas pu être testé en conditions réelles. Ensuite, ne pouvant recourir au modèle numérique pour l’alliage de titane nouvelle génération Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, la démarche a été adaptée de manière expérimentale. Cette approche a permis de définir des plages réduites de paramètres de fabrication pour enfin obtenir des échantillons de qualité, avec des jeux de paramètres optimisés offrant le choix entre productivité et précision. Cependant, les tests mécaniques ont révélé un manque de ductilité critique dans le cadre de cette application, que des post-traitements ont su améliorer au détriment de la résistance mécanique. Enfin, le passage vers un équipement de capacité équivalente a mis en avant que la différence d’architecture seule d’un tel équipement suffît à compromettre les propriétés obtenues, justifiant la nécessité d’ajustement des paramètres de fabrication pour chaque équipement de fabrication. Enfin, pour l’intermétallique à base d’aluminures de titane Ti-22Al-25Nb, les modifications des paramètres de fabrication n'ont pas suffi à éviter les fissures dans les pièces. Un post-traitement en sortie d’impression a permis d’obtenir des échantillons sains, mais le passage à des géométries plus complexes et plus larges a révélé les limites de cette solution. Les données recueillies ont cependant permis de définir des critères d’imprimabilité pour cet alliage, tout en soulignant les contraintes de sa mise en forme sur des machines à puissance limitée sans contrôle de température dans la chambre d’impression. Ce projet montre que, bien que prometteuse, l’implémentation de nouveaux métaux pour application à haute température par le procédé de fusion laser sur lit de poudre reste soumise à des défis techniques liés à l’optimisation des paramètres de fabrication et de post-traitements avant d’envisager leur intégration dans des dispositifs fonctionnels.

Date	12 déc. 2025
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vladimir Brailovski (Directeur(-trice))