Fusion laser sélective de pièces en Inconel 738 et René 77 : vers une maîtrise de la fissuration au cours du procédé pour les superalliages à haute fraction de précipités γ'
Institution:
Université Paris sciences et lettresDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Laser Beam Melting (LBM) opens up new opportunities for the manufacturing of aerospace equipment. This process increases design freedom and enables faster iterations from prototype to final part. Inconel 738 and René 77 are nickel-based superalloys with a precipitation hardening: the γ′ precipitates - whose fraction reaches 45 vol % - provide a high resistance to creep over 900◦ C, but make their shaping by LBM more complex. During the scanning of the laser beam, the materials are subjected to a high thermal gradient. Parts in Inconel 738 can therefore crack during the fabrication. Like Inconel 738, some non-weldable nickel-based superalloys are currently ineligible for a manufacturing by LBM. Our work seeks to make it possible to form such materials by LBM. We confirm the occurrence of microscopic cracks during solidification, just after laser fusion. Minimal cracking of the material is achieved with small melt pools and a high overlap between two adjacent pools. This result is discussed in the light of solidification theory. We then find evidence of macroscopic cracking during the heat treatment after the fabrication by LBM, more precisely during the first heating ramp oft he solution heat treatment, starting from 700◦ C. The cracking is the result of high residual stresses and of a hyperfine γ′ precipitation at low temperature. Inconel 738 is more susceptible than René 77 to both types of cracking due to a different composition of the γ′ phase and trace elements content. Finally, a second heating laser is used to control the thermal gradient and the cooling rate near the molten bath. We demonstrate the value of such a system for the shaping of refractory materials.
Abstract FR:
La fusion laser sélective sur lit de poudres (LBM) ouvre de nouvelles opportunités pour la fabrication d’équipements aéronautiques. Elle accroît la liberté de conception et permet des itérations plus rapides, du prototype jusqu’à la pièce finale. L’Inconel 738 et le René 77 sont des superalliages base nickel à durcissement structural : les précipités γ′ – dont la fraction atteint 45 vol % – confèrent aux matériaux une tenue au fluage élevée au-dessus de 900◦ C, mais rend leur mise en forme par LBM plus complexe. Soumis à des gradients thermiques importants lors du passage du faisceau laser, les pièces en Inconel 738 peuvent se fissurer pendant la fabrication. À l’instar de l’Inconel 738, certains superalliages difficilement soudables ne sont aujourd’hui pas éligibles à une mise en forme par LBM. Notre travail cherche à mieux comprendre les mécanismes de fissuration et à proposer une méthode de fabrication adaptée à ces matériaux. Nous confirmons l’apparition de fissures microscopiques lors de la solidification, juste après la fusion laser. Une fissuration minimale du matériau est obtenue avec des bains de fusion de petite taille et un fort recouvrement entre deux bains adjacents. Ce résultat est interprété grâce à la théorie de la solidification. Nous révélons ensuite une fissuration macroscopique lors du traitement thermique postérieur à la fusion laser, au cours de la première rampe de chauffage, à partir de 700◦ C. Les macrofissures résultent de contraintes résiduelles élevées et d’une précipitation γ′ hyperfine à basse température. L’Inconel 738 est plus sensible que le René 77 aux deux types de fissures, en raison d’une composition différente de la phase γ′ et de la teneur en éléments traces. Enfin, un second laser de chauffage est utilisé pour contrôler le gradient thermique et la vitesse de refroidissement à proximité du bain de fusion. Nous démontrons l’intérêt d’un tel système pour la mise en forme de matériaux réfractaires