Des chercheurs ont réussi à imprimer en 3D l'un des matériaux d'ingénierie les plus durs de l'industrie.
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Le carbure de tungstène-cobalt (WC-Co) est prisé pour sa dureté, mais cette même propriété le rend particulièrement difficile à façonner. Le procédé actuel est coûteux et génère beaucoup de déchets au regard du rendement obtenu ; une méthode économiquement viable pour la fabrication de ces matériaux est donc attendue depuis longtemps.
Les carbures cémentés WC-Co sont essentiels dans les domaines exigeant une résistance à l'usure et une dureté élevées, comme les outils de coupe et de construction. Actuellement, ces carbures sont fabriqués par métallurgie des poudres, un procédé qui utilise des machines de frittage et de haute pression pour combiner les poudres de WC et de Co et obtenir un carbure cémenté.
Bien que cette méthode permette d'obtenir des produits finaux très résistants et durs, elle utilise beaucoup de matériaux coûteux et son rendement est inférieur à la moyenne.
Les recherches proposées dans une étude publiée dans l' International Journal of Refractory Metals and Hard Materials utilisent la nouvelle technique de fabrication additive (FA, également connue sous le nom d'impression 3D ou AM en anglais, additive manufacturing) et la méthode d'irradiation laser à fil chaud pour produire des carbures cémentés sans sacrifier la dureté et la durabilité, tout en réduisant le gaspillage de matériaux et le coût global.
L'étude porte sur l'utilisation de la fabrication additive, et plus particulièrement sur l'irradiation laser à fil chaud, ainsi que sur deux méthodes de fabrication expérimentales. L'irradiation laser à fil chaud (également appelée soudage laser à fil chaud ) est une technique qui combine un faisceau laser et un fil d'apport préchauffé afin d'accroître le taux de dépôt (quantité de métal d'apport déposée) et l'efficacité du procédé.
Illustration de la méthode de guidage laser. Crédit : Keita Marumoto/Université d'Hiroshima
Une des méthodes de fabrication utilisées dans cette étude consiste à irradier directement la surface de la tige de carbure cémenté, cette dernière étant orientée dans le sens de la fabrication. L'autre méthode utilise un laser qui irradie entre la base de la tige de carbure cémenté et le matériau de base (fer). Dans les deux cas, les métaux sont ramollis et non fondus complètement pour former le carbure cémenté.
« Les carbures cémentés sont des matériaux extrêmement durs utilisés pour les arêtes de coupe et des applications similaires, mais ils sont fabriqués à partir de matières premières très coûteuses comme le tungstène et le cobalt, ce qui rend la réduction de la consommation de matériau hautement souhaitable. Grâce à la fabrication additive, le carbure cémenté peut être déposé uniquement là où il est nécessaire, réduisant ainsi la consommation de matériau », a déclaré Keita Marumoto, professeur adjoint à l'École doctorale des sciences et de l'ingénierie avancées de l'Université d'Hiroshima et auteur principal de l'étude.
Des carbures de qualité industrielle sans défaut ont été obtenus.
Les résultats ont démontré que cette méthode était efficace pour maintenir la dureté et l'intégrité mécanique des carbures cémentés WC-Co fabriqués de manière conventionnelle, permettant d'obtenir un matériau de base d'une dureté supérieure à 1400 HV (une unité représentant la résistance à la pénétration), sans introduire de défauts ni de décomposition.
Les matériaux de ce niveau de dureté figurent parmi les plus résistants utilisés dans l'industrie, juste en dessous des substances superdures comme le saphir et le diamant. La production de moules en carbure cémenté sans défauts semble possible, ce qui constitue l'objectif principal de cette étude, malgré quelques variations dans les résultats.
Par exemple, la méthode de dépôt par tige semble entraîner la décomposition du WC sur la partie supérieure de la pièce, ce qui provoque des défauts dans le produit final. La méthode de dépôt par laser a également rencontré des difficultés pour maintenir la dureté nécessaire à la réussite de la fabrication.
Une couche intermédiaire à base d'alliage de nickel a été ajoutée, et celle-ci, associée au maintien et à la surveillance des températures (au-dessus du point de fusion du cobalt, en dessous de la température de croissance des grains), a permis de produire un carbure cémenté par fabrication additive sans sacrifier la dureté du matériau.
Ces résultats prometteurs constituent un tremplin pour l'amélioration de leurs travaux. Les chercheurs souhaitent que leurs recherches progressent afin de maîtriser le problème de la fissuration et de parvenir à des formes plus complexes.
« L’approche consistant à former des matériaux métalliques en les ramollissant plutôt qu’en les faisant fondre complètement est novatrice, et elle pourrait s’appliquer non seulement aux carbures cémentés, qui étaient au centre de cette étude, mais aussi à d’autres matériaux », a déclaré Marumoto.
À terme, la fabrication d'outils de coupe, l'exploration de l'utilisation d'autres matériaux et la poursuite des recherches sur les moyens d'améliorer la durabilité constituent les principales préoccupations pour l'avenir de cette recherche.
Keita Marumoto et Motomichi Yamamoto de la Graduate School of Advanced Science and Engineering de l'Université d'Hiroshima et Takashi Abe, Keigo Nagamori, Hiroshi Ichikawa et Akio Nishiyama de Mitsubishi Materials Hardmetal Corporation ont contribué à cette recherche.