Surface Finish Control of Inconel 625 Components Produced by Additive Manufacturing Using Combined Chemical-Abrasive Flow Polishing

Les secteurs manufacturiers à l'échelle mondiale, particulièrement dans les domaines de l'aérospatial et de l'automobile, expriment de plus en plus le besoin de produire des composants de géométrie complexe en utilisant des approches de fabrication additive plutôt que d'emprunter des voies de fabrication plus traditionnelles. Ainsi, les techniques de fabrication additive de fusion sélective par laser ou faisceau d'électron permettent de réduire le temps de fabrication et la quantité de matière pour produire les pièces tout en améliorant la performance des matériaux. Dans le procédé de fusion sélective par laser, un faisceau laser de haute puissance est utilisé pour fondre localement une poudre métallique pour fabriquer une pièce couche par couche. Cette méthode offre l'avantage de produire des composants à partir de matériaux durs et à haut point de fusion. Bien que les techniques de fabrication additives permettent d'obtenir des caractéristiques uniques du point de vue de la géométrie des pièces, il demeure une problématique au niveau du fini de surface des composants, particulièrement pour les surfaces internes de pièces utilisées pour contenir des écoulements de fluide. La présence de particules partiellement fondues soudées à la surface peut causer une pollution indésirable dans le fluide de même que la rugosité de surface peut limiter l'écoulement du fluide. Ainsi, un des sujets les plus critiques en recherche qui amène une pénalité importante pour les procédés de fabrication additive concerne les opérations secondaires de finition de surface. Peu de résultats de recherche ont été publiés sur les procédés secondaires de polissage de surfaces internes dans les pièces de géométrie complexe. Ceci devient plus important considérant la variété de matériaux utilisés en fabrication additive. Les quelques résultats publiés reliés aux techniques de polissage chimique, électrolytique et mécanique montrent bien les limites de la fabrication additive. Les principaux objectifs des travaux de recherche sont de concevoir, fabriquer et valider une méthode de polissage basée sur la combinaison de produits chimiques et de particules abrasives pour des surfaces internes de pièces aéronautiques en IN-625 produites par fabrication additive. Pour atteindre ce but, on envisage d'étudier : a) l'écoulement de produits chimiques, b) l'écoulement d'abrasifs et c) l'écoulement combiné de produits chimiques et d'abrasifs.

Abstract

ABSTRACT ABSTRACTABSTRACTABSTRACT World manufacturing sectors, in particular aerospace and automotive industries, wish to produce highly complex and customized components by adopting additive manufacturing (AM) of products compared to the conventional fabrication methods. This has brought attention to the AM techniques, most commonly selective laser melting (SLM) and electron beam melting (EBM), that have been proven to reduce time to market, decrease buy-to-fly ratio and improve parts performance. In the SLM process, a high-power density laser selectively melts and fuses powders within and between layers to produce a component. Several advantages are offered by SLM such as processing hard materials and production of materials with high melting points. Regardless of excellent features of SLM additive manufacturing technique, the processing conditions lead to some surface problems in the case of internal surfaces of parts designed for fluid flows. This involves appearance of semi-welded particles attached to the surface, causing pollution in the fluid system, and relatively high surface roughness and texture, compromising the fluid flow. Therefore, one of the critical research issues and excessive cost factors penalizing AM approaches is post-processing surface finish. There is a lack of knowledge on the post-AM surface finish techniques that are appropriate for improving the internal surface quality of complex parts. This becomes more complicated when it comes to the wide range of materials produced by AM techniques. According to the review of the literature, some chemical, electrochemical and mechanical techniques have been investigated that deal with the polishing limitations of SLM-built parts. The main objectives of this study were to design, manufacture and validate a post-SLM surface finish technique, used for internal surface polishing of tubular IN-625 parts designed for aerospace industry, employing a combination of chemical and abrasive flow actions. For this purpose, comprehensive experimental studies included: a) chemical flow polishing, b) abrasive flow polishing and c) chemical-abrasive flow polishing. The effect of SLM build orientation and fluid velocity on the surface finish quality for the three polishing techniques was studied. The obtained results showed the feasibility of using the combined chemical-abrasive polishing to reach better polishing efficiency. Indeed, the semi-welded powder particles attached to the surface were removed and surface roughness and texture notably improved.