Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

Imaginez un monde où une seule machine pourrait fabriquer une pièce dure et résistante à l'usure à l'extérieur, tout en étant tenace et flexible à l'intérieur, le tout en un seul processus continu. C'est la promesse d'une technologie appelée dépôt de métal par laser. Dans ce processus, un laser de haute puissance fait fondre de la poudre métallique qui est projetée dans un minuscule bain de métal en fusion, construisant un composant couche par couche directement à partir d'une conception numérique. Pendant des années, les ingénieurs ont utilisé cette méthode pour créer des pièces à partir d'un seul type de métal. Cependant, le monde réel est rarement aussi simple. Une pale de turbine peut avoir besoin de résister à une chaleur extrême à son extrémité tout en restant flexible près de sa base ; un implant médical peut nécessiter une surface qui se lie bien à l'os mais un cœur capable de supporter des charges lourdes. Pour répondre à ces besoins, les scientifiques ont longtemps essayé de mélanger différents métaux pendant le processus d'impression. Le défi a toujours été le contrôle : comment mélanger deux poudres différentes de manière si parfaite qu'elles se mélangent instantanément et uniformément avant de fondre, sans qu'un type de poudre ne dévie de sa trajectoire ou ne s'agglutine ?

Une équipe de chercheurs de l'Université de Nanchang, en Chine, a abordé ce problème en concevant un nouveau type de buse, le dispositif qui dirige la poudre métallique vers le faisceau laser. Au lieu de mélanger les poudres ensemble dans une trémie avant qu'elles n'entrent dans la machine, leur nouveau design maintient deux poudres différentes séparées jusqu'au tout dernier moment. Ils ont construit une buse coaxiale à double canal, ce qui signifie essentiellement un tube dans un tube. Le tube intérieur transporte un type de poudre métallique, tandis que l'anneau extérieur transporte un type différent. Les deux flux sont projetés simultanément vers le même point. L'objectif était de voir si ces deux flux distincts, qui se comportent naturellement différemment en raison de leur poids et de leur forme, pouvaient être forcés de converger et de se mélanger uniformément juste avant de frapper le métal en fusion.

Pour déterminer la meilleure façon de construire cette buse, les chercheurs se sont d'abord tournés vers des simulations informatiques. Ils ont créé un modèle virtuel du flux de gaz et de poudre pour tester comment différentes formes et angles affecteraient les flux. Ils ont découvert que la taille des tubes et l'angle sous lequel ils pointent sont critiques. Si les tubes sont trop larges, la poudre s'éparpille trop et perd sa concentration. Si les angles sont incorrects, les deux flux pourraient se manquer ou converger à des distances différentes, entraînant un mélange désordonné. Grâce à ces simulations, ils ont déterminé que le canal intérieur devrait être incliné à 70 degrés et le canal extérieur à 60 degrés, avec les deux tubes ayant un diamètre de 0,8 millimètre. Ils ont également calculé que la sortie du tube intérieur devrait être positionnée à 3 millimètres du centre de la buse, et le tube extérieur à seulement 1 millimètre de l'intérieur. Ces dimensions spécifiques, ont-ils trouvé, créeraient le point de convergence le plus serré et le plus focalisé où les deux poudres se rejoignent.

Une fois le modèle informatique optimisé, l'équipe a construit un prototype physique de la buse et l'a mis à l'épreuve. Ils ont choisi trois métaux très différents pour voir si la conception pouvait gérer le défi : un alliage de titane connu sous le nom de TC4, du molybdène et du cuivre. Ces matériaux varient considérablement en densité et en forme. Les poudres de titane et de molybdène étaient presque des sphères parfaites, tandis que la poudre de cuivre était irrégulière et dentelée. En utilisant des caméras haute vitesse, les chercheurs ont observé les poudres sortir de la buse. Les images ont montré que, malgré leurs différences, les deux flux de poudre voyageaient ensemble et se rencontraient exactement au même point de l'espace. Lorsqu'ils mélangeaient le titane et le cuivre, les couleurs distinctes des métaux leur permettaient de voir le mélange en temps réel. Le titane gris argenté et le cuivre brun rougeâtre se mélangeaient de manière fluide au point de convergence, sans aucun signe de superposition ou d'agglutination en tas séparés.

Pour prouver que ce mélange fonctionnait dans un contexte de fabrication réelle, les chercheurs ont utilisé la buse pour construire un échantillon de pièce. Ils ont injecté l'alliage de titane par le canal intérieur et le molybdène par le canal extérieur, créant une seule passe de dix couches de haut. Après la construction de la pièce, ils l'ont tranchée et examinée en coupe transversale sous un microscope. Les résultats étaient clairs : le molybdène était réparti uniformément dans toute la structure, tout comme le titane. Il n'y avait pas de zones sombres ou brillantes indiquant qu'un métal s'était déposé au fond ou avait flotté à la surface. Cela a confirmé que les poudres s'étaient mélangées de manière approfondie dans l'air avant de fondre, créant un mélange uniforme de deux matériaux très différents.

L'étude démontre qu'en ingénierant soigneusement le chemin des flux de poudre, il est possible de délivrer des métaux dissemblables à un faisceau laser et d'obtenir un mélange parfait sans les pré-mélanger. Cette approche offre un nouveau niveau de contrôle pour la création de composants complexes aux propriétés sur mesure. Les chercheurs ont montré qu'avec la bonne géométrie de buse, les différences naturelles entre poudres lourdes, légères, rondes ou dentelées ne doivent pas être un obstacle. Au contraire, elles peuvent être gérées pour produire un matériau constant et de haute qualité qui combine les meilleurs traits de ses ingrédients, ouvrant la voie à des pièces métalliques plus avancées et adaptables à l'avenir.