Analysis of the microstructures and study of the mechanical behaviour of Ti-6Al-4V alloy parts produced by a metal powder additive manufacturing process
Analyse des microstructures et étude du comportement mécanique de pièces en alliage de Ti-6Al-4V issues d'un procédé de fabrication de poudre métallique
Résumé
This study is concerning the additive manufacturing process of powder bed fusion named DIRECT METAL LASER SINTERING (DMLS) which is similar to the SELECTIVE LASER MELTING process. An important amount of academic documentation exists on those processes especially focused on building parameters and their impacts on mechanical properties of built parts.
In the industrial application, the accessibility of all printing parameters is generally not possible. Indeed, building parameters are incorporated by machine makers within the printers, and characteristics of built parts are guaranteed by the printing process. For industrial, scientist publications do not take all DMLS process in integrity but only specific parts which cannot lead to optimal control of built parts. The general problem of this study is to focus on the DMLS process with titanium Ti-6Al-4V alloy material. Building parameters investigated in this study are those our industrial partner can influence which include printing machine, reused powder, layer thickness, built orientation, polishing and heat treatment. The main data analysis on built parts are porosity, surface roughness, microstructure (phases analysis), and mechanical properties on tensile, fatigue, and hardness tests.
A design of experiments was realized to establish relationships between some builds parameters and results from the
data analysis. Powder analysis is showing a sphericity deterioration with a high level of reused powder which can increase Vickers hardness. However, no link can be established with morphological deterioration, therefore the increase in hardness is due to chemical composition variation. Layer thickness does not influence mechanical properties even though high layer thickness leads to an increase of volume and porosity. The orientation effect on the sample is mainly shown at 0° orientation during the fatigue test. At this orientation, the number of cycles of life of the sample is increased even though the 0° orientation is the angle with the maximum number and volume porosities. The hot isostatic pressing treatment is one with the most influence. His realization highlight the phase transformation of martensitic a” to dual phase α + β phase. This heat treatment also reduces the number and volume of porosities. From a macroscopic perspective, this heat treatment leads to an increase of elastic modulus and elongation break but reduces yield stress and ultimate tensile strength. Finally, the decrease of Vickers hardness is shown with the modification of microstructure. The polishing effect is also another main parameter which leads to a decrease in surface roughness and an increase of mechanical properties during the fatigue test due to the limitation of surface cracks. To finish, the interaction between HIP treatment and polishing has a major influence on mechanical properties when combined. This is observed from tensile and fatigue tests as an important increase in mechanical properties.
To conclude this study, statistics laws between built parameters and mechanical properties have been established. An evaluation of these laws was completed with an ultimate fabrication made by the industrial partner.
Réalisé en partenariat avec l’entreprise INITIAL, leader français de la fabrication additive, la présente étude concerne le procédé de fusion métallique sur lit de poudre nommé FRITTAGE LASER DIRECT DE MÉTAL (DMLS).
Dans ce contexte mixte académique et industriel, l’accessibilité à l’ensemble des paramètres d’impression n’est pas possible. En effet, les paramètres de fabrication sont généralement figés par le fabricant de machines de manière à certifier les caractéristiques finales des pièces. Les études publiées dans la littérature ne reprennent pas l’ensemble du procédé DMLS mais certaines parties spécifiques ne permettant pas malheureusement pas une maîtrise optimale des pièces fabriquées. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’ensemble du procédé DMLS avec comme matériau de référence l’alliage de titane Ti-6Al-4V. Les paramètres investigués sont limités à ceux qui ont été fixé par l’entreprise
partenaire : machine de fabrication, recyclage des poudres, épaisseur des couches d’impression, orientation des pièces fabriquées, réalisation de post-traitements thermiques et polissage. Les principales données analysées en sortie pour caractériser les pièces sont la porosité, la rugosité de surface, la microstructure et les propriétés mécaniques en traction, fatigue et dureté.
Un plan d’expériences a été mis en œuvre afin de pouvoir proposer in fine des modèles statistiques prévisionnels. L’analyse des poudres met en évidence une détérioration morphologique avec le recyclage et conduit à une augmentation de la dureté. L’épaisseur des couches lasées n’influence pas les propriétés mécaniques des pièces mais une épaisseur lasée importante entraine plus de porosité. L’effet de l’orientation d’impression des échantillons est essentiellement observable sur la tenue en fatigue, celle-ci est la plus élevée pour une orientation à 0°. Paradoxalement, l’orientation à 0° est celle pour laquelle les porosités présentent un volume plus important. Le traitement thermique HIP est l’un des paramètres ayant l’effet le plus marqué sur les propriétés mécaniques. D’un point de vue microstructurale, sa réalisation induit une transformation de phase qui conduit à la disparition de la structure martensitique a” au profit d’une structure biphasé α + β. Ce traitement thermique permet une résorption sensible des porosités. Du point de vue des propriétés mécaniques en traction, sa réalisation a pour conséquence une augmentation du module d’élasticité et de l’allongement à rupture et une diminution importante de la limite d’élasticité et de la limite à rupture. Il a par ailleurs été mis en évidence que l’effet du polissage est aussi très influant. Il entraine une augmentation de la tenue en fatigue et des propriétés mécaniques en traction. Une bonne combinaison des post-traitements de fabrication HIP et polissage permet d’obtention des meilleures propriétés mécaniques en traction et en fatigue.
Différents modèles statistiques entre les paramètres d’impression et les propriétés mécaniques sont finalement proposé. Une évaluation de ces lois statistiques est réalisée à partir d’une plateforme de validation réalisé par le partenaire industriel.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)