Vous vous souvenez des alliages de cuivre GRCop-84 (Cu-8Cr-4 Nb at%) et GRCop-42 (Cu-4Cr-2 Nb at%) développés par la NASA ? Ces matériaux reconnus pour leur haute conductivité thermique et leurs propriétés mécaniques élevées à des températures de fonctionnement élevées ont récemment été étudiés dans le cadre d’un projet de recherche.
Étant donné que les paramètres L-PBF et les microstructures qui en résultent ne se traduisent pas toujours bien dans un environnement de production, il est crucial de comprendre les variations entre plusieurs machines et chimies de poudres pour réaliser des applications industrielles d’impression 3D dans des secteurs hautement réglementés. L’étude de recherche se concentre donc sur les variations des propriétés thermophysiques qui peuvent être utilisées pour établir des capacités de processus et des lignes directrices de conception pour l’utilisation commerciale en cours et la poursuite de la recherche.
GRCop-84 et GRCop-42
Conçus pour réaliser des revêtements de chambres de combustion de moteurs-fusées refroidis par régénération, la matrice de ces alliages est constituée de cuivre presque pur, d’où leur conductivité électrique et thermique. Le GRCop-84, en particulier, peut offrir une stabilité microstructurale, une résistance au fluage, une bonne conductivité thermique, une bonne résistance à la fatigue à faible cycle et une résistance élevée à la traction, optimisées pour une température de 500 à 800 °C.
Le problème, c’est que la plupart des matériaux se dilatent en chauffant, et cette dilatation thermique peut causer trois problèmes pour les chemises des moteurs de fusée :
- Des contraintes induites par la chaleur : la gaine est généralement limitée par une enveloppe très résistante qui reste relativement froide. La gaine ne peut pas se dilater librement et la dilatation thermique entraîne des contraintes induites par la chaleur.
- La déformation permanente du matériau due à ces contraintes thermiques peut modifier de façon permanente la forme de la gaine. Cela peut inclure l’effet dit de « niche » qui peut contribuer à la rupture de la paroi chaude d’un canal de refroidissement.
- La fatigue oligocyclique (LCF = Low cycle fatigue), où une chemise de chambre de combustion est soumise à des cycles répétés pour la qualification ou l’exploitation. Le revêtement est soumis à des déformations répétées dues à la dilatation thermique qui peuvent dépasser 1 %. C’est l’un des principaux facteurs de défaillance de la gaine.
Pour obtenir la microstructure, les propriétés thermophysiques et les propriétés mécaniques souhaitées, les alliages GRCop nécessitent des vitesses de refroidissement élevées pendant la solidification.
Dans cette étude, des plaques de construction en alliage de cuivre GRCop-42 et GRCop-84 ont été produites par huit fournisseurs différents utilisant le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF). Chaque fournisseur a utilisé ses propres machines L-PBF et des paramètres légèrement différents, souvent considérés comme propriétaires, pour fabriquer les plaques. Des équations ont donc été développées sur la plage de température 25-700 °C pour prédire la conductivité thermique et 20-1000 °C pour le CTE (moyen et instantané).
Principaux enseignements
Avec différentes sources de poudre et différents systèmes/paramètres L-PBF, les variations des conductivités thermiques GRCop sont d’environ + /- 4% de la valeur moyenne, ce qui est légèrement supérieur à l’incertitude de l’équipement associée aux mesures de conductivité thermique (+/- 3%). Ces faibles variations pourraient s’expliquer en partie par la différence de teneur en éléments d’alliage.
Les résultats de l’expansion thermique, du coefficient de dilatation thermique moyen et du coefficient de dilatation thermique instantané montrent tous une excellente concordance entre les échantillons, avec de très faibles variations des valeurs, comme le montre la faible erreur standard de l’estimation. Sur la base de ces résultats, les propriétés d’expansion thermique des pièces imprimées 3D avec les matériaux GRCop-42 et GRCop-84 présentent une excellente reproductibilité, quels que soient la poudre de départ, les paramètres ou la machine.
Les résultats ont démontré que les propriétés thermophysiques des alliages GRCop-42 et GRCop-84 produits avec le L-PBF présentent des résultats hautement reproductibles indépendamment des paramètres de traitement, des différences de poudre de départ et du type de machine. Cela implique une cohérence à l’intérieur des pièces et entre les pièces et donne aux concepteurs une plus grande confiance dans le respect des valeurs minimales de conception au cours du processus de fabrication, ce qui se traduit par une fiabilité accrue et une réduction des risques.
Les conductivités thermiques des échantillons GRCop-42 ont présenté une variation de ± 4 %, ce qui dépasse légèrement la variabilité inhérente à l’instrument de ± 3 %. Cette variation supplémentaire entre les échantillons, qui dépasse la variabilité connue de l’instrument, pourrait potentiellement être associée aux quantités d’atomes de soluté dissous dans la matrice de Cu. Même si aucune corrélation explicite n’a été identifiée, il a été démontré que ces éléments pouvaient être des facteurs significatifs. D’autres recherches, utilisant des études complètes à l’échelle atomique et à micro-échelle, sont nécessaires à l’avenir pour élucider complètement les variations de la conductivité thermique.
Pour les échantillons d’expansion thermique pour la FA des matériaux GRCop-42 et GRCop-84, le comportement d’expansion thermique de la FA sur lit de poudre était statistiquement différent du matériau extrudé mais était cohérent pour chaque alliage. La dilatation thermique généralement plus faible devrait se traduire par des contraintes induites par la chaleur plus faibles, une déformation permanente moins importante due aux déformations induites par la chaleur et des durées de vie plus longues pour les LCF.
Il est important de reconnaître que si les pièces en L-PBF peuvent être fabriquées avec succès dans un environnement de laboratoire contrôlé, le passage à un environnement de production ne se fait pas toujours sans heurts. La présence de variations entre de nombreuses machines et lots de poudre nécessite une compréhension globale de la variabilité des propriétés entre plusieurs fournisseurs opérant indépendamment les uns des autres. La répétabilité et la reproductibilité tout au long de la chaîne d’approvisionnement commerciale revêtent une importance capitale pour les concepteurs qui veulent s’assurer que les pièces sont conformes aux propriétés attendues et aux exigences opérationnelles. Plus précisément, la conductivité thermique et la dilatation thermique apparaissent comme des éléments cruciaux dans le processus de conception. En tirant parti de la connaissance des variations des propriétés thermiques, il devient possible d’établir des capacités de traitement et des lignes directrices de conception qui facilitent l’utilisation commerciale continue et les efforts de recherche ultérieurs.
La recherche complète peut se lire ici.
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