Fig. 1 :Micrographie optique montrant une structure en couches de type Damas constituée d'une séquence de bandes souples et dures. Les bandes dures apparaissent sombres sur la micrographie optique, car les précipités riches en Ti dans ces couches conduisent à une surface rugueuse lors de la gravure. Les précipités sont confinés à la mince, couches sombres par un contrôle précis du traitement thermique intrinsèque lors du processus de fabrication additive. La ligne rouge montre l'augmentation de la dureté dans les couches sombres due au durcissement par précipitation. Crédit :P. Kürnsteiner, M. Wilms
Dr Philipp Kürnsteiner, Le professeur Eric Jägle et leur équipe du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) ont conçu, avec des collègues de l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser, un nouvel acier solide et ductile, imitant la structure en couches des aciers de Damas. Ils ont su exploiter le traitement thermique intrinsèque lors de la fabrication additive, économisant ainsi du temps et des coûts du traitement thermique post-processus habituel. Les scientifiques ont récemment publié leurs découvertes dans La nature .
"Nous avons conçu un nouveau fer, acier à base de nickel et de titane conçu sur mesure pour les procédés de fabrication additive. Ce nouvel acier est capable d'exploiter les avantages du dépôt énergétique dirigé, telles que la capacité intrinsèque de traitement thermique. En contrôlant la température et les vitesses de refroidissement, nous avons pu contrôler numériquement la microstructure des alliages couche par couche et obtenu un acier maraging aux propriétés ajustables", explique Kürnsteiner, chercheur postdoctoral dans les groupes « Alliages pour la fabrication additive » (AAM) et « Atom Probe Tomography » et premier auteur de la La nature publication. Le dépôt d'énergie dirigé est l'une des techniques de fabrication additive les plus populaires. Les échantillons sont construits à partir de modèles informatiques de manière entièrement numérisée en faisant fondre de la poudre métallique avec un faisceau laser focalisé. La construction couche par couche, typique des procédés de fabrication additive, a donné la chance d'imiter la structure des aciers de Damas. Les aciers damas acquièrent leur haute résistance et leur ductilité grâce à une structure de couches molles et dures, qui est obtenu par pliage et forgeage répétés.
"Au lieu de plier et de forger, nous avons utilisé le contrôle numérique sur les paramètres du processus. Nous avons exploité l'histoire thermique complexe de la fabrication additive, y compris le réchauffage cyclique pour déclencher les transformations de phase nécessaires pour une résistance et une ductilité élevées :d'abord, une formation d'une microstructure de martensite riche en nickel transformée à partir d'austénite. Seconde, la formation de précipités nickel-titane, ce qui conduit à un effet durcissant, " explique Jägle, chef du groupe AAM et depuis janvier 2020 également professeur à l'Universität der Bundeswehr München. Les scientifiques ont pris le contrôle du refroidissement de l'échantillon grâce à des temps de pause spécifiques qui ont été introduits pendant le processus de fabrication additive. Cela a permis de contrôler la séquence des deux transformations de phase et donc d'alterner entre les régions durcies et non durcies. Afin d'étudier la microstructure complexe et très hiérarchisée des aciers fabriqués de manière additive, une combinaison de différentes techniques analytiques, y compris la diffraction par rétrodiffusion d'électrons et la tomographie par sonde atomique, a été utilisée. Cela a permis de dresser une image complète de la microstructure allant des couches durcies apparaissant à l'échelle du millimètre jusqu'aux structures de solidification à l'échelle du micromètre jusqu'aux précipités de nickel-titane de taille nanométrique qui ont été déclenchés par le traitement thermique intrinsèque.
Fig. 2 :Mesure par tomographie par sonde atomique montrant les précipités riches en Ti déclenchés par le traitement thermique intrinsèque lors du processus de fabrication additive dans l'obscurité, couches durcies. Des atomes de Ti dans une couche mince de 5 nm d'épaisseur à travers le volume reconstruit sont montrés. Le graphique en bas à droite montre un profil de composition à travers un seul précipité riche en Ti, comme indiqué par les cases orange en pointillés. Les précipités contiennent 25 % atomique de Ti. Crédit :P. Kürnsteiner, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
"D'autres possibilités envisageables pour contrôler le traitement thermique in situ, en plus de régler la longueur de pause du laser, pourrait régler la puissance du laser, son chemin de balayage ou en appliquant des méthodes de chauffage et de refroidissement externes. Nous testons maintenant les différentes possibilités avec nos partenaires de l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser. Cela ouvre de nouvelles portes pour ajuster localement la microstructure de pièces tridimensionnelles complexes si notre approche est couplée à un puissant logiciel de simulation de processus. En outre, notre approche est adaptée à une large gamme d'alliages et de procédés de fabrication additive, " explique Kürnsteiner.
Les scientifiques du MPIE ont pu montrer que le traitement thermique intrinsèque lors de la fabrication additive laser permet d'ajuster localement les microstructures. La capacité de manipuler la microstructure est mieux utilisable dans les alliages qui peuvent réagir de manière optimale aux conditions spécifiques de la fabrication additive, comme indiqué pour le Fe nouvellement développé
