Harry Cohen Tanugi

Les matériaux imprimés en 3D sont désormais plus durables grâce au nouveau traitement thermique des chercheurs du MIT

"L'impression 3D permettra de mettre en place de nouvelles architectures de refroidissement susceptibles d'améliorer l'efficacité thermique d'une turbine afin qu'elle produise la même quantité d'énergie tout en brûlant moins de carburant et, au final, en émettant moins de dioxyde de carbone."

Superalliages imprimés en 3D

La nouvelle technique développée par les chercheurs est un type de recristallisation dirigée. Ce traitement thermique déplace une substance à travers une zone chauffée à un rythme précisément régulé pour combiner les nombreux petits grains de la substance en cristaux plus grands et plus stables.

La technologie a été testée sur des métaux qui sont généralement coulés et utilisés dans les turbines à gaz - des superalliages à base de nickel qui ont été imprimés en 3D. Dans une série de tests, les scientifiques ont positionné des échantillons imprimés en 3D de superalliages en forme de tige sous une bobine d'induction dans un bain-marie à température ambiante. Ils ont porté les tiges à des températures allant de 1 200 à 1 245 degrés Celsius en les tirant avec précaution hors de l'eau et en les faisant passer dans la bobine à des vitesses différentes.

"Le matériau se présente d'abord sous la forme de petits grains avec des défauts appelés dislocations qui ressemblent à des spaghettis déchiquetés", explique Cordero.

"Lorsque vous chauffez ce matériau, ces défauts peuvent s'annihiler et se reconfigurer, et les grains sont capables de croître. Nous allongeons continuellement les grains en consommant le matériau défectueux et les grains plus petits - un processus appelé recristallisation."

Résumé de l'étude

Les processus de fabrication additive de métaux peuvent créer des composants complexes qui sont difficiles à former avec les méthodes de traitement conventionnelles ; cependant, les matériaux imprimés ont souvent des structures de grains fins qui ont pour conséquence des propriétés de fluage à haute température médiocres, en particulier par rapport aux matériaux solidifiés de manière directionnelle. Dans cet article, nous abordons cette limitation dans un superalliage à base de nickel fabriqué de manière additive, AM IN738LC, en convertissant la structure à grains fins as imprimés en une structure colonnaire grossière par recristallisation directionnelle. Les comportements de recristallisation directionnelle de l'AM IN738LC ont été caractérisés par une étude des paramètres dans laquelle la température de pointe et le taux d'étirage ont chacun été modifiés indépendamment. La recristallisation a commencé lorsque la température de pic était supérieure au γ′ solvus de 1183 °C. La variation de la vitesse d'étirage de 1 à 100 mm/h tout en maintenant une température de pointe fixe de 1235 °C et un gradient thermique d'ordre 105 °C/m en avant de la zone chaude a montré qu'une vitesse d'étirage de 2,5 mm/h maximisait la taille des grains, donnant une taille moyenne des grains longitudinaux de 650 µm. Les spécimens traités dans ces conditions optimales ont également hérité de la texture des fibres 〈100〉 du matériau tel qu'imprimé. L'inspection minutieuse d'un spécimen trempé a révélé un épinglage Zener des joints de grains longitudinaux par les carbures MC et un front de recristallisation primaire discret dont la position suivait l'isotherme γ′ solvus. Les présents résultats démontrent pour la première fois comment la recristallisation directionnelle de superalliages à base de Ni fabriqués de manière additive peut permettre d'obtenir de gros grains colonnaires, de manipuler la texture cristallographique pour minimiser les contraintes thermiques attendues en service, et de classer fonctionnellement la structure des grains pour améliorer sélectivement les performances en fatigue ou en fluage.

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