Une méthode pour résoudre le phénomène de fissuration à chaud de l'alliage 6061 imprimé par fusion laser sur lit de poudre : de la compréhension des microstructures duplex aux avantages de la solution développée

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) has focused the interest of the scientific and industrial communities over the past few years. Indeed, 3D printed alloys display many specific characteristics. Among all aluminium alloys, some of them, mainly structural grades, are suffering from the hot cracking problem during L-PBF processing. Severe thermal conditions associated with the process (high thermal gradient and high cooling rate) often induce columnar grain growth, a structure particularly prone to hot cracking phenomena. A general methodology to solve this issue was developed during the thesis, focusing on the grain structure downsizing, trying to promote small equiaxed grains. To this end, an Al6061 alloy powder commonly used in the aeronautic and automotive industries is coated with YSZ (Yttria Stabilised Zirconia) / ZrO2 / Y2O3 and ZrSi2 particles through a dry mixing process. In the case where the added particles contain Zr, a progressive grain refinement allows to fully avoid cracks. From 0.7 wt% Zr addition on (either through ZrSi2 / YSZ or ZrO2 particles), a conventionally called duplex microstructure is observed. A continuous band of small equiaxed grains decorates each melt pool boundaries, and allows to avoid massive columnar grain growth. This continuous equiaxed band acts as a shield that prevents cracks from initiating and propagating. TEM investigations showed that the Zr element liberated from the added particles further rearranges with Al to form Al3Zr nucleant phases for the aluminium phase in the equiaxed zones. Going towards the center of the melt pool, critical thermal conditions trap the liberated Zr into solid solution, promoting a solidification structure with coarser elongated grains. Based on the standard theory of nucleation, the maximal cooling rate allowing this Al3Zr precipitation has been investigated. Results showed a good correlation with experimental observations such as the variation of the equiaxed band thickness with Zr content. In a more global approach, these calculations bring a better understanding of the duplex microstructures encountered during high strength aluminium alloy L-PBF processing. The last part of the work focused on the mechanical properties of this new additively manufactured Al6061+1.2wt% Zr alloy, with promising results. In the as-built state, the alloy exhibits a quasi-isotropic behaviour with higher yield and ultimate strengths compared to wrought Al6061. In addition, the use of recycled powder does not affect tensile properties, a key aspect related to the main advantage of additive manufacturing, i.e. the reduction of material waste. An adapted heat treatment at 400°C for 2 hours further enhanced the yield and ultimate strengths up to respectively σy=340MPa and σUTS=349MPa. This improvement has been attributed to ordered L12 Al3Zr nanoprecipitation, from remaining Zr content trapped in solid solution in the as-built state. Last but not least, the developed method has been transferred to another hot cracking sensitive aluminium grade (7075 alloy), with successful results.Le procédé fusion laser sur lit de poudre (ou L-PBF) est une technologie émergeante qui rend possible la construction de pièces particulièrement complexes, en réduisant au minimum la perte de matière. Néanmoins, de par les conditions thermiques extrêmes induites (fort gradient thermique et forte vitesse de refroidissement), certains alliages d’aluminium, principalement ceux de structure, souffrent du phénomène de fissuration à chaud. La structure de croissance colonnaire favorisée par le très fort gradient thermique selon la direction de construction est particulièrement sensible à ce phénomène. Par conséquent, le travail de thèse s’est concentré sur la recherche de solutions permettant de favoriser les structures de solidification équiaxes, une méthode efficace pour résoudre le phénomène de fissuration à chaud. A cet effet, des particules d’YSZ (Yttria Stabilised Zirconia) / ZrO2 / Y2O3 / ZrSi2 ont été ajoutées (mélange en voie sèche) à une poudre d’Al6061, un alliage largement utilisé dans le domaine automobile et aéronautique et sensible à la fissuration à chaud. Deux comportements ont été identifiés. Pour les éléments d’ajout contenant du Zr, le raffinement permet d’éviter l’apparition de fissures. A partir de 0.7wt% de Zr, une microstructure bimodale est observée. Chaque fond de piscine de fusion est décoré par une bande plus ou moins large de grains équiaxes permettant d’empêcher tout amorçage et propagation de fissures. Des analyses TEM ont démontré que le Zr libéré lors de la dissolution des particules d’ajout se réassocie avec l’Al pour former des particules Al3Zr présentes au centre des grains équiaxes. Ces particules servent à leur tour de germes hétérogènes pour la croissance de la phase aluminium. Puis la croissance colonnaire reprend en direction du centre de la piscine, les conditions thermiques étant trop rudes pour la formation de l’Al3Zr, le Zr est alors piégé en solution solide. A partir de considérations basées sur la théorie classique de la germination, la vitesse de refroidissement maximale pour la germination de particules d’Al3Zr a été calculée. Une bonne corrélation avec les observations expérimentales (largeur de la bande équiaxe en fonction de la quantité de Zr ajoutée) a été mise en évidence. D’un point de vue plus général, ces divers calculs ont permis de mieux appréhender les microstructures bimodales rencontrées pour les alliages d’aluminium à hautes performances mécaniques imprimés par L-PBF. La dernière partie de la thèse s’est focalisée sur l’étude des performances mécaniques de l’alliage 6061+1.2wt% Zr. A l’état brut de fabrication, il présente un comportement quasi-isotrope avec des propriétés en traction (contraintes élastique et maximale) supérieures au 6061 forgé (état brut). Egalement, l’utilisation de poudre recyclée n’impacte pas ces propriétés, aspect clé vis-à-vis de la perte de matière. Un traitement thermique à 400°C pendant 2h a permis d’augmenter les contraintes élastique et maximale de ce nouvel alliage (σél=340MPa and σmax=349MPa). Cette amélioration est associée à la précipitation de nano-Al3Zr durcissants. Enfin, la méthode développée sur le 6061 a été transférée à une autre série d’alliage fissurant, l’Al7075, avec succès