Contribution à la compréhension de la physico-chimie de composites carburés à matrice aluminium élaborés par fusion laser sur lit de poudre

Résumé

Les composites Al-SiC sont utilisés depuis de nombreuses années, notamment dans les industries automobile et aéronautique, dans un but d’amélioration des propriétés mécaniques des alliages d’aluminium. Plus récemment, le développement de procédés de fabrication additive tels que la fusion laser sur lit de poudre (FLLP) a offert la possibilité d’associer géométries complexes et matériaux hautes performances, dans un enjeu d’allègement de structure et d’économie de matière. Néanmoins, le procédé FLLP exige de revoir le mode de fabrication des composites élaborés jusqu’à présent en fonderie. En effet, une problématique connue lors de l’élaboration de composites Al-SiC est la réactivité du renfort dans l’aluminium liquide, amenant à la formation d’un carbure d’aluminium Al4C3, fragile et hydrosoluble, détériorant les propriétés mécaniques et la durée de vie des pièces. En fonderie, des stratégies basées sur le contrôle de la chimie de l’alliage et de la température du procédé permettent de limiter la formation de ce carbure. Cependant, les températures atteintes en fusion laser sur lit de poudre, bien plus élevées qu’en fonderie, rendent ces stratégies inopérantes, et constituent un verrou technique pour élaborer des composites Al-SiC par FLLP.Dans ce contexte, ce travail aborde la problématique de la décomposition du SiC, afin d’estimer si elle pourrait être limitée par la cinétique du procédé FLLP, connue pour être très rapide. Pour cela, des mélanges de poudre ont été élaborés en voie sèche afin de greffer 3 pds% de renforts SiC de différentes granulométries, i.e. de 35 nm à 4,5 µm, à la surface d’une poudre d’AlSi7Mg0,6. Ces différentes poudres composites ont ensuite été imprimées par FLLP. Les pièces obtenues ont été caractérisées de manière approfondie, notamment en terme de microstructure, par des analyses de diffraction des rayons X (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie électronique en transmission (MET). Un modèle numérique a également été mis en œuvre, afin d’étudier la cinétique de dissolution de la poudre de SiC en fonction de différents paramètres thermophysiques et procédé. Les résultats indiquent que des particules de SiC submicroniques ne peuvent pas survivre aux conditions du procédé, et plus généralement, qu’une nanoparticule thermodynamiquement instable dans son environnement a peu de chance d’y parvenir.La cinétique du procédé n’étant pas suffisante pour réduire significativement la décomposition du SiC, la suite de ces travaux s’est focalisée sur la formation in situ d’un carbure alternatif par ajout de nanoparticules de zircone à la poudre composite Al-SiC, avec comme objectif de piéger le carbone dans une phase ZrC, et ainsi limiter la formation d’Al4C3. L’étude de la microstructure des matériaux massifs obtenus par FLLP a confirmé la formation in situ de ZrC, diminuant drastiquement la quantité de précipités d’Al4C3. De plus, l’ajout d’une source de zirconium a permis l’obtention d’une microstructure totalement équiaxe, qui induit un affinement manifeste de la taille de grains. Suite à des investigations menées au MET et une étude cristallographique poussée, cette microstructure particulière a été associée à la présence de précipités intragranulaires germinants d’une phase ternaire Al-Zr-Si, nommée τ1. Pour compléter cette étude microstructurale, une base de données thermodynamique du système quaternaire Al-Si-Zr-C a été mise en place, permettant de mieux comprendre la microstructure et les phases obtenues en FLLP.

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