Effect of HIP and Laser Shock Peening Sequence on the Fatigue Behavior of Laser Powder Bed Fused Ti6Al4V
Cette étude démontre que pour le Ti-6Al4V issu de la fusion laser sur lit de poudre riche en défauts, effectuer un grenaillage par choc laser après un pressage isostatique à chaud produit une performance en fatigue supérieure par rapport à la séquence inverse, probablement parce que la première préserve des contraintes de compression de surface bénéfiques malgré des mesures de défauts internes similaires.
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Les pièces métalliques pour les avions et les implants médicaux sont de plus en plus fabriquées par un procédé qui les construit couche par couche, en utilisant un laser de haute puissance pour faire fondre de minuscules particules de poudre métallique. Cette méthode, connue sous le nom de fusion laser sur lit de poudre, permet aux ingénieurs de créer des formes qui seraient impossibles à usiner à partir d'un bloc solide. Cependant, cette fabrication rapide comporte un coût caché : les pièces contiennent souvent des imperfections microscopiques. De minuscules poches de gaz piégé et des zones où le métal ne s'est pas totalement fusionné peuvent servir de points de départ à des fissures. Lorsque ces pièces sont soumises à des contraintes répétées, telles que les vibrations d'un moteur ou le poids d'un corps humain, ces petites failles peuvent se transformer en fractures, provoquant la défaillance de la pièce bien avant l'échéance prévue. Pour rendre ces pièces sûres pour une utilisation critique, les fabricants doivent éliminer ces défauts et renforcer la surface, mais l'ordre dans lequel ils appliquent ces correctifs importe plus qu'on ne le pensait auparavant.
Des chercheurs ont entrepris de tester une question spécifique concernant deux techniques de réparation puissantes utilisées sur des pièces en alliage de titane. La première technique, le pressage isostatique à chaud, consiste à chauffer le métal à près de 1 500 degrés Fahrenheit tout en le comprimant avec une pression de gaz immense. Ce processus agit comme une combinaison de plongée sous pression pour le métal, forçant les poches d'air internes à s'effondrer et à ressouder le matériau. La seconde technique, le grenaillage par choc laser, utilise une impulsion laser à haute énergie pour créer une onde de choc qui frappe la surface. Cet impact déforme plastiquement la couche externe, la martelant efficacement dans un état de compression qui rend beaucoup plus difficile l'amorçage ou la propagation des fissures. Bien que les deux méthodes soient connues pour améliorer les performances, les scientifiques voulaient savoir si la séquence d'application de ces traitements modifiait le résultat final. Est-ce que cela importait que le métal soit compressé et chauffé d'abord, puis grenelé, ou si le métal était grenelé d'abord, puis compressé ?
Pour trouver la réponse, l'équipe a fabriqué un lot de petits spécimens de titane entaillés, conçus pour être intentionnellement remplis de défauts, simulant ainsi une série de fabrication imparfaite. Ils ont divisé ces pièces en deux groupes. Un groupe a reçu le traitement de grenaillage par choc laser en premier, suivi du pressage isostatique à chaud. L'autre groupe a reçu les traitements dans l'ordre inverse : le pressage isostatique à chaud d'abord, puis le grenaillage par choc laser. Par la suite, les chercheurs ont utilisé une imagerie de pointe par rayons X pour regarder à l'intérieur des pièces, comptant le nombre de défauts restants et mesurant leur taille et leur forme. Ils ont ensuite soumis chaque spécimen à un test de fatigue rigoureux, les pliant d'avant en arrière sous des charges contrôlées jusqu'à ce qu'ils se cassent ou survivent à un million de cycles.
Les résultats ont révélé un décalage surprenant entre ce que les images de rayons X montraient et la façon dont les pièces se comportaient réellement. Lorsque les chercheurs ont regardé à l'intérieur du métal, les deux groupes semblaient très similaires. Les deux présentaient une réduction du nombre de défauts internes par rapport aux pièces non traitées, et la forme moyenne des trous restants était presque identique. En fait, le groupe qui avait subi le pressage isostatique à chaud en premier, puis le grenaillage, contenait en réalité le défaut restant le plus volumineux et le plus grand volume total de défauts internes selon les scans. Sur la base de ces seules mesures internes, on pourrait s'attendre à ce que ce groupe soit moins performant. Pourtant, lors des tests, l'inverse s'est produit. Les spécimens qui avaient été grenelés en dernier ont survécu nettement plus longtemps. Deux d'entre eux n'ont même pas rompu après un million de cycles, un résultat appelé « run-out », tandis qu'aucun des spécimens de l'autre groupe n'a réussi à atteindre ce jalon.
Les chercheurs ont conclu que l'ordre des opérations modifiait fondamentalement l'état final de la surface du métal, un facteur que les scans internes par rayons X ne pouvaient pas percevoir. Lorsque le grenaillage par choc laser était appliqué en dernier, il créait une couche de surface fraîche, durcie et compressée qui restait intacte pendant les tests ultérieurs. Dans l'autre séquence, où le grenaillage avait lieu en premier, le métal était ensuite soumis à la chaleur élevée du pressage isostatique. Cette exposition thermique a probablement provoqué la relaxation ou l'atténuation des contraintes de compression bénéfiques créées par le grenaillage, laissant la surface moins protégée contre les fissures. L'étude suggère que pour ces pièces en titane, l'étape finale du processus est la plus critique pour la durée de vie en fatigue. Elle implique que les fabricants devraient toujours effectuer le traitement de renforcement de surface après le traitement de cicatrisation interne, garantissant ainsi que l'état de surface protecteur est préservé jusqu'à la mise en service de la pièce. Cette découverte souligne que dans la fabrication complexe, la séquence des étapes est tout aussi importante que les étapes elles-mêmes, et que l'examen des seuls défauts internes peut parfois occulter la véritable raison de la réussite ou de l'échec d'une pièce.
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