Fabrication additive du titane : laser, faisceau d'électrons et arc électrique

Les alliages de titane allient une résistance spécifique élevée, une bonne résistance à la corrosion et une bonne résistance aux hautes températures, mais leur usinage classique est coûteux et difficile. La fabrication additive permet de produire, couche par couche, des composants de forme quasi-finale, ce qui en fait une solution intéressante pour les pièces complexes destinées à l'aérospatiale et au secteur médical. Les principales sources d'énergie utilisées sont les lasers, les faisceaux d'électrons et les arcs électriques.

Fabrication additive par laser

Fusion sélective au laser

La fusion sélective par laser utilise un faisceau laser focalisé pour faire fondre successivement les couches d'un lit de poudre, conformément aux données du modèle découpé en tranches. Une fois qu'une couche s'est solidifiée, la plate-forme de fabrication s'abaisse, de la poudre fraîche est répartie, puis le cycle se répète.

Les paramètres de processus tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l’épaisseur de couche, l’espacement des hachures et la stratégie de balayage déterminent la densité, les défauts, les contraintes résiduelles et la texture. Une étude sur le Ti-6Al-4V citée dans la source indique qu’un recuit complet à 840 °C pendant 2 h modifie la microstructure telle que formée et améliore son uniformité.

Dépôt de métal par laser

Le dépôt de métal par laser consiste à introduire directement de la poudre ou un fil dans un bain de fusion créé par laser. Ce procédé permet de fabriquer des pièces de plus grande taille et de réparer des composants coûteux, mais la précision du dépôt et la qualité de surface sont généralement inférieures à celles obtenues par fusion sur lit de poudre. La solidification directionnelle rapide peut produire des grains primaires bêta colonnaires grossiers et une structure en natté, comme le montre l'exemple du Ti-17.

Les procédés laser offrent une grande précision et un excellent rendement des matériaux, mais le coût des poudres, les contraintes résiduelles, la taille limitée des pièces, la stabilité du procédé et la nécessité d’un post-traitement constituent toujours des contraintes.

Fabrication additive par faisceau d'électrons

La fusion par faisceau d'électrons sur lit de poudre s'effectue sous vide et permet de préchauffer le lit de poudre, ce qui réduit les gradients thermiques et les contraintes résiduelles. Elle est particulièrement adaptée aux alliages de titane réactifs et permet d'atteindre des vitesses de fabrication élevées, même si la finition de surface et la précision dimensionnelle sont généralement inférieures à celles obtenues avec la fusion laser sur lit de poudre.

La source indique que le Ti-6Al-4V obtenu par fusion sur lit de poudre peut conserver une bonne ductilité cryogénique, avec un allongement d'environ 20% à 20 K et de 29% à 77 K, et attribue ce comportement au jumelage par déformation.

Fabrication additive par arc électrique à fil

La fabrication additive par arc électrique avec fil d'apport utilise un arc électrique et un fil d'apport. Son taux de dépôt élevé et le faible coût du fil d'apport en font une technique adaptée aux pièces structurelles de grande taille ; toutefois, l'apport de chaleur est important, la précision dimensionnelle est moindre et un usinage important peut s'avérer nécessaire. Le cycle thermique peut entraîner la formation de bandes macroscopiques et de microstructures hétérogènes dans les dépôts de Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V.

Quel procédé de fabrication additive du titane choisir ?

Les travaux futurs s'orientent vers les composites à matrice de titane, les alliages destinés à fonctionner à des températures supérieures à 600 °C et les renforts à l'échelle nanométrique tels que le TiB et le TiC. Une surveillance fiable, la simulation, le contrôle des défauts et des règles de conception spécifiques aux procédés seront essentiels pour une adoption industrielle à plus grande échelle.