Des scientifiques adaptent l'impression 3D à la fabrication de composants en alliage de cuivre
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Une équipe de recherche de Skoltech (membre du groupe VEB.RF) et d'autres organismes scientifiques russes et indiens a mené une étude systématique du procédé de fusion laser sur lit de poudre (PBF-LB) pour le bronze d'aluminium. Ce matériau est essentiel pour les composants soumis à de fortes contraintes thermiques et nécessitant une dissipation de chaleur efficace, tels que les échangeurs de chaleur, les éléments de refroidissement des centrales électriques et les boîtiers d'électronique de puissance.
Les résultats, publiés dans la revue Materials Characterization , ouvrent la voie à la fabrication de composants de formes complexes par fusion laser sur lit de poudre, dont la résistance et la conductivité thermique égalent, voire surpassent dans certains cas, celles des pièces moulées de façon traditionnelle.
Pourquoi le bronze d'aluminium est un défi
Le bronze d'aluminium (Cu-9,5Al-1Fe) offre une conductivité thermique supérieure à celle de l'acier et du titane, tout en étant plus adapté à la fabrication additive que le cuivre pur. Cependant, l'impression d'alliages de cuivre présente deux défis majeurs : la forte réflectivité du matériau et sa dissipation thermique rapide.
Ces facteurs entraînent la formation de défauts, notamment des pores de non-fusion, qui se produisent lorsque les particules de poudre ne fondent pas complètement, et ce qu'on appelle la porosité en trou de serrure, causée par la formation d'une dépression de vapeur profonde et instable dans le bain de fusion qui produit des vides lors de la solidification.
Comment l'équipe a ajusté les paramètres du processus
Au cours des expériences, les scientifiques ont fait varier la densité d'énergie (de 125 à 938 J/mm³) en ajustant la puissance du laser (90–150 W) et la vitesse de balayage (100–600 mm/s). Ils ont constaté qu'à faibles densités d'énergie, les pores de défaut de fusion sont prédominants, tandis qu'à fortes densités d'énergie, les pores en forme de trou de serrure — caractéristiques d'un mode de pénétration profonde instable — deviennent prédominants. Le taux de porosité global est resté aux alentours de 5 % pour tous les régimes testés.
Malgré la présence d'une porosité résiduelle, les échantillons imprimés ont démontré des propriétés mécaniques supérieures à celles du bronze d'aluminium coulé. La résistance à la traction a atteint 748 MPa et l'allongement 16,2 %, se rapprochant ainsi des paramètres du bronze nickel-aluminium (bronze Ni-Al), matériau traditionnellement utilisé dans les applications exigeantes.
Aperçus de la microstructure et des changements de phase
« Nous avons pu démontrer que, même avec un équipement à puissance laser limitée, il est possible d'obtenir des propriétés mécaniques proches de celles des bronzes nickel-aluminium industriels. Le facteur clé s'est avéré être non seulement l'augmentation de l'énergie apportée, mais aussi la compréhension des mécanismes régissant la transition entre différents types de défauts. Cela nous permet de prédire les propriétés du matériau dès la sélection des paramètres d'impression », explique Stanislav Evlashin, professeur associé au Centre des matériaux et co-auteur de l'étude.
Les auteurs ont porté une attention particulière aux changements de composition de phase. La cristallisation ultra-rapide inhérente à la fusion laser a produit des phases atypiques de la structure d'équilibre du bronze d'aluminium, notamment des couches intermédiaires d'Al₂Cu et des nanoparticules de Cu₃Fe.
L'étude a également montré qu'une augmentation de la densité énergétique réduit la fraction de phase principalement responsable de la dureté et de la résistance du matériau, ce qui a un impact négatif sur sa conductivité électrique et thermique. Ces structures et phases se forment lors de vitesses de refroidissement pouvant atteindre 10⁷ K/s et influencent l'équilibre entre résistance, ductilité et propriétés thermiques.
Lien entre la structure, la conductivité et les performances
« En utilisant un ensemble d'approches – allant de l'analyse microstructurale à l'aide de diverses techniques de microscopie aux mesures des caractéristiques physiques et mécaniques – nous avons établi une corrélation directe entre la densité de dislocations, la conductivité thermique et la conductivité électrique », explique Anastasia Filippova, première auteure de l'article et doctorante en mathématiques et mécanique à Skoltech.
« Il s'avère qu'à mesure que l'apport d'énergie augmente, la densité de dislocations diminue et une redistribution de l'aluminium se produit au sein de la structure. Ceci conduit à une conductivité thermique plus élevée sans dégradation notable des propriétés mécaniques. La porosité, quant à elle, a un effet mineur. »
Des mesures de conductivité thermique ont été réalisées sur une large plage de températures, de 5 à 575 K, en utilisant deux méthodes indépendantes : PPMS et analyse par flash laser.
Les auteurs ont démontré que la conductivité thermique d'échantillons produits avec une densité d'énergie élevée atteint 47 W/(m·K) à température ambiante. Cette valeur est comparable à celle des matériaux coulés, mais obtenue avec une résistance mécanique nettement supérieure.