Développement de méthodes d'échantillonnage de particules de poudre modifiées lors d'impressions par FSL de l'alliage de titane Ti64

La fusion de lit de poudre par laser (FSL) est une méthode de fabrication additive (FA), souvent appelée impression 3D, qui offre plusieurs avantages comparativement à des méthodes plus conventionnelles telles que la coulée et l'usinage. Notamment, les pièces imprimées peuvent avoir des géométries plus complexes qui permettent l'optimisation des propriétés des pièces tout en minimisant la masse de celles-ci. Un autre avantage de taille est la minimisation des retailles de fabrication par rapport à ce qui se produit avec des méthodes conventionnelles. En effet, à la suite de la fusion du lit de poudre lors de la fabrication de la pièce, une grande partie de la poudre n'ayant pas été fondue peut être récupérée pour des impressions subséquentes. Cependant, la poudre récupérée et recyclée peut avoir été modifiée durant l'impression par FSL. En effet, le passage du laser sur le lit de poudre engendre la génération de particules projetées ailleurs sur le lit de poudre. L'élévation de la température localement près du laser peut aussi affecter thermiquement les particules de telle sorte que leur état soit modifié. L'effet des différentes particules modifiées lors d'une impression sur les propriétés des pièces imprimées n'est pas très bien connu. Il est important de bien caractériser chaque type de particules modifiées (nombre, forme, taille, couleur, composition chimique) pour pouvoir ensuite établir un lien avec des effets sur les pièces imprimées. Dans le cadre de cette étude, deux méthodes d'échantillonnage des projections et des particules affectées thermiquement près des zones du lit de poudre fusionnée ont été développées en collaboration avec Safran Tech et Tekna. La poudre utilisée est de la poudre de Ti-6Al-4V ELI (Extra Low Interstitial) de grade 23. Les échantillons recueillis permettent la caractérisation d'un grand nombre de particules. Quatre types de projections et un type de particules affectées thermiquement ont été identifiés. Parmi les types de projections, on trouve les particules soufflées et non affectées, les particules oxydées et colorées, les particules sphériques de grande taille et les agrégats.

Abstract

Selective Laser Melting (SLM) is an Additive Manufacturing (AM) or 3D printing method that offers a variety of advantages compared to more conventional fabrication methods such as casting and machining. In fact, the printed parts can reach higher geometric complexity that allows to optimize the properties of the parts while minimizing their weight. Another advantage is the minimisation of the disposal of material compared to conventional methods. Indeed, after the SLM process, a large proportion of the powder that was not melted can be recycled for subsequent printings. However, the recycled powder can be modified during the SLM printing. Indeed, the scanning of the laser on the powder bed causes the generation of projected particles, or spatters, elsewhere on the powder bed. The local temperature elevation can also heat affect surrounding particles and modify their state. The effect of the various types of modified particles on the properties of the printed parts is not well known. It is important to thoroughly characterize each type of modified particles (amount, shape, size, color, chemical composition) in order to establish a relation between those particles and the effects on the properties of the printed parts. In this study, two sampling methods of spatters and heat affected particles near areas of the powder bed that was melted were developed in collaboration with Safran Tech and Tekna. The powder that was used during those printings is a Ti-6Al-4V ELI (grade 23) powder. The gathered samples allow the characterization of a large number of particles. Four types of spatters and one type of heat affected particle were identified. Among the spatter types, there is the unaffected and blown, the oxidized and colored, the large and spherical and the aggregates. The oxidized and colored spatters have an oxygen concentration at their surface (for an electron penetration depth of about 220 nm under the surface) of more than 8 wt% whereas the large and spherical spatters have an oxygen concentration at their surface of more than 5 wt%. The unaffected and blown spatters are oxidized similarly to the particles from the virgin powder and the oxygen concentration at the surface of the aggregates depend on the particles of the powder bed that contributed to the formation of the aggregate.