Augmentation de la durée de vie de pièces en alliage de titane issue de la fabrication additive

Description

La présence de défauts surfaciques (rugosité et fissures) et/ou internes (porosité, manque de fusion, etc.) sont les raisons principales de défaillance des pièces métalliques fabriquées par SLM sujettes à des sollicitations mécaniques répétées.

La résistance en fatigue de ces composants peut être grandement améliorée en utilisant des traitements thermiques appropriés tels qu’un traitement thermique sous vide ou un HIP (Hot-Isostatic Pressing) et des parachèvements surfaciques adaptés (p.ex. électropolissage).

Notre projet, qui s’est déroulé de janvier 2022 à septembre 2023, s’est focalisé sur l'étude du comportement en fatigue de pièces en Ti6Al4V fabriquées par SLM. Il était novateur, car :

• Nous avons travaillé sur de vrais produits industriels, notamment une vis médicale et une pièce nautique, de façon à tenir compte des effets de la géométrie, de la taille, de la charge appliquée et de la fonction à garantir ;
• Nous avons attaché autant d’importance à améliorer la microstructure, la porosité, que l’état de surface des pièces pour optimiser globalement les propriétés en fatigue (meilleure durabilité).

Le défi scientifique était de rendre ces composants plus performants et plus durables grâce à une amélioration des procédés de fabrication et de post-traitement.

Nous pouvons mettre en avant plusieurs résultats prometteurs en termes d’effet des traitements thermiques sur les caractéristiques mécaniques des pièces, ainsi que la mise en place avec succès d’un processus d’électropolissage utilisant une solution exempte d’acides et de sels toxiques.

Le cœur du projet a été la réalisation de nombreux essais d’endommagement par sollicitations répétées (essais de fatigue) pour déterminer les courbes de Wöhler des pièces en fonction des paramètres de post-traitement thermique et surfacique.

En chiffre ceci donne :

• Les pièces brutes ont une faible durée de vie. Elles tiennent 40’000 cycles à une amplitude de 300 MPa. La limite d’endurance vaut 120 MPa.
• Un traitement thermique approprié permet d’augmenter la limite d’endurance (HIP +167%, HT + 29%) et la durée de vie (100’000 cycles à 300 MPa).
• Le HIP baisse par la même occasion la porosité résiduelle (1,7% → 0,2%).
• L’électropolissage réduit la rugosité de la pièce (Ra de 14 → 2 µm) et la rend plus brillante.
• Un état de surface plus lisse augmente la limite d’endurance (HIPE +28%, HTE +51%) et la durée de vie (infinie à 300 MPa).

Le but ultime était d’apporter à l’industrie des réponses concrètes et solides sur la fabrication idéale et sur le parachèvement optimal des composants produits par SLM en fonction de leurs besoins spécifiques.

La HEIG-VD était responsable de la fabrication et de la caractérisation volumique, tandis que la HE-Arc Ingénierie gérait la partie post-traitements et la caractérisation surfacique.

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