Préparation matérialographique d'échantillons produits par des technologies d'impression 3D

Inventée en 1983 et brevetée en 1986 par C. Hull, la technologie de l'impression 3D (initialement appelée 'lithographie stéréo') est une méthode de production bien établie sur le marché industriel actuel. Les prévisions annoncent une augmentation de 774 % du chiffre d'affaires mondial au cours des cinq prochaines années, ce qui fait de l'impression 3D l'un des marchés les plus prospères dans un avenir proche. L'une des différentes méthodes d'impression 3D est le soudage additif par accumulation de poudre au laser. Cette technique se caractérise par le revêtement de matériaux sous forme de poudre à l'aide d'une soudure laser. La forme souhaitée du produit spécifique est obtenue en suivant des trajectoires prédéfinies avant la fabrication. L'énergie du laser fait fondre la poudre métallique utilisée en formant un cordon de soudure.

Le contour tridimensionnel de la géométrie finale est obtenu par le chevauchement des cordons de soudure en fonction des trajectoires prédéfinies. L'optimisation du soudage additif par accumulation de poudre au laser se concentre sur un traitement économique avec une qualité et une précision élevées. Une autre priorité est l'évolutivité : à grande échelle d'une part et en mettant en œuvre des microstructures inférieures à 100 µm d'autre part.1 Les matériaux utilisés pour le soudage additif par accumulation de poudre au laser sont principalement les suivants :

• Métal léger
• Superalliages de nickel
• Acier
• Matériaux intermétalliques
• Matériaux durs (carbures)

Dans cet article, un échantillon d'acier (X6Cr17, numéro de matériau : 1.4016) fabriqué par soudage additif au laser par accumulation de poudre a été étudié. La première étape a consisté à obtenir un échantillon plus petit (=spécimen) représentatif de la pièce à usiner complète. Pour ce faire, on a utilisé la fraise de précision QATM avec une fine lame CBN (nitrure de bore cubique) (épaisseur du disque : 0,65 mm, diamètre du disque : 153 mm).

La coupe a été effectuée avec une coupe directe pulsée (0,2 mm vers l'avant et 0,2 mm vers l'arrière) avec une vitesse d'avance de 1 mm/s et une vitesse de rotation de 4500 tr/min. Après la coupe, l'échantillon a été enrobé dans un matériau d'enrobage à chaud (Epo black) à l'aide d'une presse d'enrobage à chaud afin d'obtenir un échantillon plus facile à manipuler. L'enrobage a été effectué à une pression de 200 bars pendant 6 minutes à 180°C, suivi d'un cycle de refroidissement de 6 minutes. Un autre avantage est le haut degré de parallélisme des échantillons enrobés de 51 µm ±1 µm (les tolérances sont basées sur le pied à coulisse utilisé pour les mesures de hauteur des échantillons). Les échantillons enrobés ont ensuite été prépolis (force individuelle) et polis (force individuelle) à l'aide d'une machine de prépolissage et de polissage semi-automatique. Le processus de prépolissage a été divisé en deux étapes. La première consistait en un prépolissage plan à l'aide d'un papier de prépolissage en carbure de silicium (SiC) de granulométrie P240 afin d'éliminer toutes les déformations causées par le processus de coupe. Cette étape a été suivie d'un prépolissage avec un papier SiC de granulométrie P600 pour lisser la surface en vue des étapes de polissage ultérieures. L'échantillon a d'abord été prépoli avec le drap de polissage Galaxy BETA dur et une suspension de diamant polycristallin de 9 µm, suivi d'un drap mi-dur en soie et d'une suspension de diamant polycristallin de 3 µm. La dernière étape, appelée polissage final, a été réalisée avec un drap de polissage synthétique doux et de l'Eposil M. Les paramètres de préparation détaillés sont indiqués dans ce tableau :

Cette séquence de préparation a permis d'obtenir une surface d'échantillon finement polie. La figure 3 montre une image prise avec un microscope optique incident (lumière incidente) à un grossissement de 100.

Image de la surface préparée de l'échantillon. En raison de la surface polie, la lumière est réfléchie de manière presque égale et la microstructure n'est pas discernable.

La microstructure était également bien contrastée au milieu de la surface de l'échantillon, ce qui indique que toute la surface préparée a été contrastée avec succès, comme le montre l'image.

Échantillon contrasté. La microstructure à base de soudure de la pièce fabriquée est clairement visible.

Comme la lumière est réfléchie de manière presque égale sur toute la surface de l'échantillon, la microstructure reste invisible. En raison de la nature de l'œil humain, une différence minimale de contraste de 10 % est nécessaire pour que le contraste soit visible sur n'importe quelle surface. Ce contraste est obtenu par gravure. Dans notre exemple, le décapant "V2A Beize" a été utilisé pour contraster la surface par une attaque sélective des différentes phases de l'acier X6Cr17 étudié. La gravure a été effectuée pendant 45 s et la microstructure est très bien discernable comme on peut le voir sur l'image.

Échantillon attaqué à l'aide de "V2A Beize" (pendant 45 s). Section de bord. La microstructure est clairement discernable.