Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response

Imaginez un monde où nous pourrions construire de gigantesques et complexes objets métalliques non pas en les découpant dans un gros bloc ou en versant du métal en fusion dans un moule, mais en les « imprimant » couche par couche, comme une imprimante 3D pour machines lourdes. C'est le domaine de la fabrication additive. Alors que certaines imprimantes 3D utilisent des lasers pour faire fondre de minuscules poudres métalliques, d'autres utilisent une torche de soudage robotisée géante pour faire fondre un fil pendant qu'elle le dépose. Cette méthode spécifique est appelée Dépôt de Matière par Énergie Dirigée par Arc Fil (WA-DED). Voyez cela comme un pistolet à colle chaude très précis et super rapide, mais au lieu de la colle, il recrache de l'acier en fusion. Le matériau en question est un type spécial d'acier appelé « acier maraging ». Le nom est un mélange de « mar » (pour martensite, une structure cristalline super résistante) et « age » (car il devient encore plus fort lorsqu'on le chauffe et qu'on le laisse reposer, un processus appelé vieillissement). C'est le type de métal utilisé pour les pièces de fusées et les outils de haute performance car il est incroyablement dur et résistant. Cependant, imprimer ce type spécifique d'acier avec une torche de soudage est délicat. Si le « pistolet à colle » vacille ou si la chaleur est incorrecte, le métal peut finir par être faible ou rempli de trous. Les scientifiques ont essayé de trouver la recette parfaite de vitesse, de chaleur et de vitesse de fil pour que ce processus fonctionne de manière fiable. C'est le casse-tête que les chercheurs ont cherché à résoudre.

Le Grand Casse-tête de l'Impression Métallique

Dans cette étude, une équipe de chercheurs du Portugal a décidé de traiter le processus d'impression métallique comme une immense expérience scientifique. Ils voulaient trouver les réglages « Goldilocks » (ni trop chaud, ni trop froid, juste ce qu'il faut) pour imprimer de l'acier maraging 18Ni-350 avec une torche de soudage alimentée par fil. Leur objectif n'était pas seulement de fabriquer un bloc de métal ; ils voulaient fabriquer un bloc qui soit fort, tenace et exempt de défauts, puis voir ce qui se passerait lorsqu'ils lui donneraient un traitement thermique spécial.

Trouver la Recette Parfaite
L'équipe a commencé par jouer avec trois principaux boutons sur leur machine : la vitesse de déplacement (Vitesse de Déplacement), la vitesse à laquelle le fil est injecté dans la flamme (Vitesse d'Alimentation du Fil) et la puissance électrique utilisée (Tension). Ils ont utilisé une méthode statistique intelligente appelée « Plan d'Expériences » pour tester des diziment de combinaisons sans perdre des mois de temps.

Ils ont mesuré la « stabilité de l'arc », ce qui revient essentiellement à savoir si la flamme de soudage est régulière. Imaginez essayer de tracer une ligne droite avec un stylo qui ne cesse de trembler ; c'est un arc instable. Si le stylo est stable, vous obtenez une ligne lisse. Les chercheurs ont découvert que la Tension et la Vitesse d'Alimentation du Fil étaient les ingrédients les plus importants. La vitesse de la torche importait moins.

En analysant les chiffres, ils ont découvert le réglage parfait pour maintenir la flamme stable :

• Vitesse de Déplacement : 481 mm/min
• Vitesse d'Alimentation du Fil : 5,9 m/min
• Tension : 23,4 V

À ces réglages, ils ont prédit que l'arc serait stable environ 96,3 % du temps. C'est comme trouver la pression exacte pour presser un tube de dentifrice afin qu'il sorte en un flux régulier et parfait sans éclaboussures.

Construire les Murs
Une fois leur recette parfaite établie, ils ont construit deux types de murs métalliques. D'abord, ils ont fabriqué des murs minces à couche unique pour tester la résistance du métal lorsqu'on l'étire (résistance à la traction). Ensuite, ils ont construit un mur beaucoup plus épais en déposant quatre cordons de métal par couche, comme si l'on empilait des briques avec un léger chevauchement, pour voir comment le métal se comporte dans une forme plus réaliste et massive.

Les Résultats : Plus Fort et Plus Tenace
Lorsqu'ils ont testé les murs minces, les résultats étaient impressionnants.

• Avant Traitement Thermique (Brut de Fabrication) : Le métal était déjà très résistant, avec une résistance à la traction (Résistance à la Traction Ultime) allant de 1253 MPa à 1366 MPa, selon le sens de la traction.
• Après Traitement Thermique (Vieilli) : Ils ont chauffé le métal à 480 °C pendant 5 heures puis l'ont laissé refroidir. C'est la partie « vieillissement ». Soudain, le métal est devenu encore plus fort, atteignant 1613 MPa à 1687 MPa. Mieux encore, il est devenu plus extensible (l'allongement est passé d'environ 6 % à 8,5–10,2 %).

Habituellement, quand un métal devient plus fort, il devient plus fragile (comme une brindille sèche qui casse). Mais ici, le métal est devenu plus fort et plus flexible. Les chercheurs pensent que cela est dû au fait que le traitement thermique a lissé certaines des minuscules imperfections laissées par le processus d'impression.

La Surprise du Mur Épais
Lorsqu'ils ont examiné le mur épais multicouche, ils ont découvert quelque chose d'intéressant concernant sa dureté.

• Avant Traitement Thermique : Il était déjà assez dur avec 508 HV1,0.
• Après Traitement Thermique : Il est devenu encore plus dur, atteignant 625 HV1,0.

Le fait que le métal « brut de fabrication » soit déjà si dur suggère que le processus de construction du mur épais a agi comme un mini-traitement thermique en soi. À mesure que chaque nouvelle couche de métal chaud était ajoutée, elle réchauffait les couches inférieures, les trempant légèrement avant le passage final au four.

Le Test de la Ténacité
Enfin, ils ont testé la quantité d'énergie que le métal peut absorber avant de se rompre (ténacité à l'impact) à l'aide d'un test de choc à l'encoche V (essai Charpy).

• Brut de Fabrication : 438 ± 2 J
• Vieilli : 440 ± 3 J

Voici le rebondissement : le traitement thermique a rendu le métal plus dur et plus fort, mais il n'a pas changé la quantité d'énergie qu'il peut absorber. La ténacité est restée exactement la même. Les chercheurs expliquent que les caractéristiques contrôlant la rupture du métal étaient déjà fixées lors du processus d'impression lui-même, et non lors du chauffage final. C'est comme si la « ténacité » d'une barre de chocolat était déterminée par la façon dont on mélange les ingrédients, et non par la façon dont on l'emballe plus tard dans son emballage.

Et Après ?
L'étude conclut que cette méthode est un moyen viable de fabriquer des pièces de grande taille, fortes et tenaces en acier maraging 18Ni-350. Ils ont trouvé un point d'équilibre pour les réglages de la machine qui fonctionne bien pour le mode de soudage par « court-circuit ». Cependant, ils notent que ce « point d'équilibre » se situe juste à la limite des réglages qu'ils ont testés. Pour trouver un véritable optimum global, il faudrait tester des plages de réglages encore plus larges. Ils suggèrent également que les travaux futurs devraient examiner plus en profondeur les minuscules cristaux à l'intérieur du métal et voir si un autre type de traitement thermique avant le vieillissement final pourrait rendre les pièces encore meilleures.

En bref, ces chercheurs ont découvert comment régler une imprimante 3D métallique géante pour fabriquer un acier super résistant qui devient encore meilleur après un bain chaud, prouant ainsi que l'on peut imprimer des pièces complexes et de haute performance sans avoir besoin d'une machine laser à un million de dollars.