Process–Microstructure–Property Relationships in Binder-jetted AISI D2 Tool Steel: Effects of Sintering Temperature and Heat Treatment
Cette étude établit une relation processus–microstructure–propriété pour l'acier à outils AISI D2 fabriqué par projection de liant en identifiant une température de frittage optimale de 1 250 °C qui permet d'atteindre une densification quasi complète, laquelle, combinée à un traitement thermique ultérieur, améliore significativement les performances mécaniques grâce à la transformation martensitique et à l'homogénéisation de la déformation de réseau.
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Imaginez un matériau si dur qu'il peut couper l'acier, mais si fragile qu'il se brise si vous tentez de le façonner avec une machine standard. C'est le paradoxe de l'acier à outils AISI D2, un alliage à haute teneur en carbone et en chrome utilisé pour fabriquer les lames, les matrices et les moules qui façonnent notre monde industriel. Pendant des décennies, les fabricants ont lutté pour créer des pièces complexes à partir de cet acier, car les méthodes traditionnelles, comme la fusion et la coulée ou le meulage de l'excédent de matière, échouent souvent. L'acier est trop dur pour être usiné facilement, et lorsqu'il est fondu, il a tendance à se fissurer en refroidissant. Pour contourner cela, les ingénieurs se sont tournés vers une technique appelée jet de liant (binder jetting). Au lieu de fondre le métal, ce processus pulvérise une colle liquide sur des couches de poudre métallique fine pour construire une forme, qui est ensuite cuite dans un four pour fusionner les particules entre elles. Cependant, trouver la température de cuisson parfaite pour cet acier spécifique est une tâche délicate. Si la chaleur est trop basse, la pièce reste pleine de minuscules trous et de faiblesse. Si elle est trop élevée, la structure interne s'épaissit et se dégrade, ruinant la résistance.
Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en testant précisément comment la température de cuisson et un traitement thermique final affectent la qualité finale de l'acier AISI D2 produit par jet de liant. Ils ont commencé avec une poudre fine et sphérique de l'alliage et ont utilisé une machine de jet de liant pour imprimer de petits blocs et barres. Après l'impression des pièces, celles-ci ont été soigneusement cuites dans un four à des températures allant de 1 200 degrés Celsius à 1 260 degrés Celsius. Cette plage étroite a été choisie car l'acier subit une transformation critique où de minuscules cristaux durs à l'intérieur du métal commencent à se dissoudre et à circuler, aidant ainsi la pièce à devenir solide. Les chercheurs ont découvert que la température faisait une différence dramatique. À l'extrémité inférieure de l'échelle, les pièces restaient poreuses et fragiles. À mesure que la température augmentait, les particules métalliques fusionnaient plus complètement et le nombre de minuscules trous diminuait. Le point idéal s'est avéré être 1 250 degrés Celsius. À cette température spécifique, les pièces ont atteint une densité de près de 99 pour cent, ce qui signifie qu'elles étaient presque entièrement solides avec très peu de vides internes.
L'histoire ne s'est pas arrêtée avec la cuisson. Les chercheurs ont ensuite soumis les meilleurs échantillons à un processus de traitement thermique standard utilisé pour ce type d'acier. Ils ont chauffé les pièces à 1 010 degrés Celsius pour modifier l'arrangement interne des atomes, les ont laissées refroidir à l'air libre, puis les ont réchauffées à nouveau à 200 degrés Celsius pour relâcher les tensions internes. Cette seconde étape a transformé entièrement le caractère du matériau. Avant ce traitement, l'acier était fort mais fragile, se cassant avec très peu d'étirement. Après le traitement thermique, le matériau est devenu nettement plus tenace. Sa capacité à s'étirer avant de rompre est passée d'un maigre 1,28 pour cent à 6,81 pour cent, et sa résistance aux forces de traction a bondi d'environ 860 mégapascals à plus de 1 300 mégapascals. La dureté a également augmenté légèrement, atteignant un niveau comparable à celui de l'acier de haute qualité fabriqué par les méthodes traditionnelles.
Pour comprendre pourquoi cela s'est produit, les scientifiques ont observé l'intérieur du métal à l'aide d'outils d'imagerie avancés qui cartographient l'orientation de ses minuscules cristaux. Ils ont découvert que la cuisson initiale à 1 250 degrés Celsius avait créé une structure où les atomes de métal étaient disposés de manière à pouvoir se transformer en une forme plus dure et plus forte lors du traitement thermique. Le traitement thermique a provoqué le passage du métal d'un arrangement plus mou et plus flexible vers une structure rigide et aciculaire, connue sous le nom de martensite, qui est responsable de la célèbre dureté de l'acier. De plus, le traitement thermique a lissé les tensions internes qui s'étaient accumulées pendant l'impression et la cuisson, rendant le matériau plus uniforme et moins susceptible de faillir de manière inattendue. Les chercheurs ont également observé que les minuscules cristaux durs qui se forment naturellement dans cet acier étaient fragmentés et redistribués uniformément dans tout le matériau, plutôt que de s'agglutiner dans des points faibles.
L'étude conclut que bien que le jet de liant offre une voie prometteuse pour fabriquer des formes complexes à partir de cet acier difficile, la fenêtre de processus est extrêmement étroite. Une différence de seulement quelques degrés dans la température de cuisson peut faire la différence entre une pièce presque parfaite et une pièce défectueuse. Plus précisément, la cuisson à 1 250 degrés Celsius suivie de la séquence de traitement thermique standard a produit les meilleurs résultats, équilibrant une dureté extrême avec suffisamment de flexibilité pour être utile. Cette découverte fournit une feuille de route claire aux fabricants qui souhaitent utiliser la fabrication additive pour créer de l'outillage de haute performance, prouvant qu'avec un contrôle précis de la chaleur, il est possible de surmonter les limitations traditionnelles de cet alliage robuste.
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