Ce n’est un secret pour personne que le pressage isostatique à chaud a apporté de nombreux avantages à l’industrie de l’impression 3D, quel que soit le secteur spécifique dans lequel il est utilisé. Le pressage isostatique à chaud ou “Hot Isostatic Pressing” en anglais – abrégé HIP est un procédé de post-traitement utilisé dans la fabrication additive pour atteindre la densité théorique maximale et améliorer la résistance à la fatigue et la ductilité des matériaux de haute performance. Si le HIP a été utilisé avec succès pour éliminer les défauts et les pores de divers matériaux, la technologie a permis de de l’optimiser pour les composants en titane fabriqués de manière additive.

Joignez-vous à nous pour examiner de près ce procédé qui fera passer l’impression 3D à un tout autre niveau, la rendant vitale pour les applications où il n’y a pas de place pour les erreurs comme l’industrie aérospatiale, la Formule 1, la course automobile et bien d’autres.

Combinaison le pressage isostatique à chaud standard avec un traitement à haute température

L’idée d’obtenir du titane de grade 5 fabriqué de manière additive, ou Ti6Al4V si vous voulez vous en tenir à sa formule, existe depuis un certain temps déjà. Les avantages d’obtenir un matériau léger aux caractéristiques très robustes peuvent changer la donne dans de nombreuses industries. Cependant, ce n’est que récemment qu’on a découvert que la combinaison de finition post-traitement offrait une excellente résistance à la fatigue et un écart type minimum des propriétés mécaniques.

Comme l’illustre Sauber Engineering, la clé est de combiner le pressage isostatique à chaud, la finition de surface et le traitement thermique pour obtenir un processus de production robuste et un matériau final aux propriétés remarquables. Les ingénieurs de Quintus Technologies ont développé le procédé de traitement thermique à haute pression qui combine les cycles HIP standard et la trempe sous gaz inerte pour maximiser la résistance à la fatigue et améliorer le processus de fabrication dans son ensemble.

Minimiser les défauts grâce au pressage isostatique à chaud pour améliorer la résistance à la fatigue à haut cycle

Le principal problème des pièces imprimées 3D était leur résistance à la fatigue généralement plus faible que celle des composants obtenus par forgeage ou par d’autres procédés conventionnels.

L’ajout d’une couche après l’autre, même pour les composants en titane, laisse apparaître des pores et des microfissures et diminue considérablement la ductilité et la résistance à la fatigue. Cependant, de nombreux auteurs et chercheurs ont confirmé l’utilisation réussie pressage isostatique à chaud pour éliminer les défauts internes et augmenter la robustesse globale, en particulier pour le Ti6Al4V. L’utilisation de paramètres tels qu’une température de 920°C, une pression de 100 MPa et un temps de maintien de 2 heures augmente considérablement la contrainte admissible de moins de 400 à plus de 600 MPa.

Traiter le ramollissement du Ti6Al4V à haute température

Pour améliorer encore la résistance statique du L-PBF Ti6Al4V, les scientifiques ont étudié différentes valeurs de niveaux de température de traitement thermique. Il est vital que l’alliage de titane soit aussi fluide que possible pour une manipulation correcte sans perdre ses valeurs fondamentales. Il était donc crucial de trouver la température adéquate pour le ramollir et le refroidir. Selon des recherches telles que celle de G. Lutjerig, la décomposition en phase martensitique commence à environ 700-850 degrés Celsius. Le maintien de ces températures de fonctionnement a montré des pertes normales de la limite d’élasticité par rapport aux composants en titane forgé, comme suit :

● La limite d’élasticité est passée de 1050 MPa à 950MPa à 700-800 degrés Celsius.

● Une chute de 1050 MPa à 900 MPa à des températures HIP de plus de 900 degrés.

Pour faire face à la déformation à haute température, l’équipe de Quintus Technologies a développé et mis en œuvre un cycle HIP à basse température. Ce cycle a été optimisé afin d’obtenir les meilleurs résultats pour la microstructure du très fin L-PBF Ti6Al4V. Ce nouveau cycle vise à minimiser le ramollissement en réduisant la température, mais à compenser cette réduction en augmentant la pression pendant le processus HIP.

C’est pourquoi Quintus Technologies a expérimenté la réduction de la température HIP de 920°C à 800°C et le doublement de la pression de 100 à 200 MPa. Non seulement cela a permis d’obtenir un matériau plus stable avec moins de pores et une résistance accrue à la fatigue, mais ce processus permet également d’obtenir une densification complète des pores. De plus, en augmentant la pression à 200 MPa, les scientifiques ont également réussi à conserver une microstructure lamellaire très fine pour les composants en Ti6Al4V, en plus de compenser la baisse de température.

Obtenir une résistance maximale grâce au traitement thermique à haute pression

Dans certains cas, l’application d’un cycle HIP à moyenne température peut être très difficile, voire infructueuse. C’est notamment le cas lorsque la taille du défaut des composants L-PBF Ti6Al4V est supérieure à 300µm. Cela peut se produire en particulier lors de l’application de paramètres de construction à grande vitesse, mais aussi dans les pièces moulées. Pour faire face à ces situations, Quintus Technologies a mis au point un traitement thermique à haute pression (HPHT = high-pressure heat treatment). En d’autres termes, des valeurs de température et de pression de gaz très élevées (similaires à celles utilisées dans la trempe au gaz à haute pression) sont utilisées dans un four HIP. Par rapport à la trempe au gaz à haute pression classique – high-pressure gas quenching – HPGQ(effectuée à environ 15 bars), les valeurs de densité, de capacité thermique, de vitesse et de conductivité thermique du gaz Ar utilisé dans le HPHT sont presque identiques à 1500 bars. La pression accrue permet d’effectuer simultanément un traitement thermique HIP et un traitement thermique à base de solution.

L’eau, le polymère ou l’huile peuvent être utilisés comme solutions, et chacun d’entre eux présente des avantages pour diverses industries. Par exemple, lors de la fabrication de composants à section mince, comme les pièces d’une F1, il y a de fortes chances que la trempe dans un polymère ou dans l’eau entraîne une formation constante de pores.

Image: sauber-group

Application du traitement thermique à haute pression sur la FA fusion sur lit de poudre pour les inserts de châssis de voitures de course F1

Quel meilleur exemple que la Formule 1 pour illustrer les avantages de l’utilisation du HPHT sur les pièces en titane -Ti6Al4V ? La précision de ce sport et l’extrême attention portée aux détails en font un excellent moyen de présenter les avantages de cette méthode de traitement des composants en titane. Sans oublier que chaque gramme compte en F1, et qu’il est vital de s’appuyer sur des matériaux présentant une excellente résistance à la fatigue et qui sont également légers. L’utilisation des composants en titane réélaborés permet de perdre plusieurs centaines de grammes tout en conservant la même résistance et les mêmes caractéristiques structurelles.

Une douzaine d’inserts en Ti6Al4V sont laminés dans le châssis des voitures de F1 aux points de transmission de force vitaux. Ces inserts jouent un rôle très important dans la rigidité et la maniabilité globales de la voiture. Avec des sections extrêmement fines de seulement 1 mm, ces inserts sont les candidats idéaux pour l’utilisation de composants en titane traités par traitement thermique à haute pression. Et bien qu’il reste encore beaucoup de progrès à faire, la réduction des contraintes à haute température offerte par le traitement thermique à haute pression combiné aux procédés de pressage isostatique à chaud montre un grand potentiel pour une utilisation future en F1.

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Image en Une: Sauber Engineering.