Caracterización avanzada de muestras de aleación Al - Si - 10 Mg obtenidas por fabricación aditiva

Abstract

En las ´ultimas tres d´ecadas, la fabricaci´on aditiva se ha desarrollado significativamente. Aunque inicialmente se centr´o s´olo en los pol´ımeros, r´apidamente se diversific´o a otras familias de materiales como los metales. Las ventajas de esta t´ecnica son numerosas, la reducci´on de las p´erdidas materiales y la disminuci´on de los costos de producci´on siendo las m´as importantes. Las aplicaciones de la fabricaci´on de aditivos han sido principalmente en el sector del transporte. En este ´ambito, en el que el objetivo es reducir el peso manteniendo al mismo tiempo buenas propiedades mec´anicas, la aleaci´on AlSi10Mg aqu´ı estudiada ya se utiliza ampliamente, por lo que la t´ecnica de fabricaci´on aditiva permitir´ıa combinar las ventajas. Por lo tanto, el objetivo de este proyecto es caracterizar las muestras de esta aleaci´on obtenidas por Fusi´on L´aser Selectiva para establecer una relaci´on entre la microestructura, las propiedades mec´anicas y los par´ametros de impresi´on utilizados. Con este fin, en Saarbr¨ucken (Alemania) se produjeron tres grupos de muestras variando los siguientes par´ametros: potencia del l´aser (P), velocidad de impresi´on (v) y distancia entre pasos del l´aser (d). La prueba de flexi´on a 4 puntos, que no requiere la preparaci´on previa de la muestra, se llev´o a cabo en primero. Sin embargo, una vez hecho esto, las piezas ten´ıan que ser preparadas para las dem´as pruebas. Un estudio anterior sobre la misma aleaci´on permiti´o establecer un protocolo adecuado. Una vez completado este paso, las t´ecnicas de caracterizaci´on, como la observaci´on con microscopio ´optico y electr´onico de barrido y la difracci´on de electrones retrodispersados, permitieron un estudio microestructural. En paralelo, pruebas como la microdureza, la nanoindentaci´on o el ”nanoscratch”(nanorayado) se a˜nadieron a la prueba de flexi´on de 4 puntos para estudiar las propiedades mec´anicas. Los resultados obtenidos mediante las diversas pruebas realizadas permitieron establecer el v´ınculo entre los par´ametros de impresi´on, la microestructura y las propiedades mec´anicas. De hecho, las muestras que fueron expuestas durante un per´ıodo de tiempo m´as largo a un l´aser m´as potente mostraron propiedades mec´anicas m´as d´ebiles y una serie de defectos significativos caracter´ısticos de una alta densidad de energ´ıa transmitida al polvo met´alico. Del mismo modo, el grupo de muestras expuestas a una menor potencia de l´aser y durante un corto per´ıodo de tiempo tambi´en presentaba muchos defectos como part´ıculas de polvo no fundido o poros de tipo metalogr´afico. Adem´as, a pesar de los altos valores de m´odulo de elasticidad o resistencia mec´anica, estos espec´ımenes rompieron en la prueba de flexi´on inicial. Finalmente, el ´ultimo grupo present´o los mismos valores de propiedades mec´anicas que el grupo anterior pero sin romper en el ensayo inicial. Adem´as, este grupo ten´ıa pocos defectos y de los tama˜nos m´as peque˜nos que los observados en los otros dos grupos. Este ´ultimo grupo fue elaborado con una combinaci´on de par´ametros que garantizan una densidad de energ´ıa transmitida al material intermedia. Este v´ınculo entre la densidad de energ´ıa y la caracterizaci´on de la muestra permiti´o tener en cuenta los tres par´ametros de impresi´on estudiados aqu´ı.

Over the last three decades, additive manufacturing has improved significantly. Although it initially focused only on polymers, it quickly diversified to other families of materials such as metals. The advantages of this technique are numerous, with the reduction of material waste and lower production costs being the most important. Applications for additive manufacturing have mainly been in the aerospace and automotive fields. In this field, where the aim is to reduce weight while maintaining good mechanical properties, the AlSi10Mg alloy studied here is already widely used and the additive manufacturing technique would therefore bring its own advantages. Thus, the objective of this project is to characterise samples of this alloy obtained by Selective Laser Fusion in order to establish a relationship between the microstructure, the mechanical properties and the printing parameters used. For this purpose, three sets of samples were produced in Saarbr¨ucken (Germany) by varying the following parameters: laser power (P), printing speed (v) and hatch spacing (d). The 4-point bending test, which does not require sample preparation, was carried out first. However, once this was done, the parts had to be prepared for further testing. An earlier study on the same alloy enabled a suitable protocol to be established. Once this stage was completed, characterisation techniques such as observation with a scanning electron microscope and optical microscope or even backscattered electron diffraction allowed a microstructural study. In parallel, tests such as microhardness, nanoindentation or nanoscratch were added to the 4-point bending test to study the mechanical properties. The results obtained from the various tests made it possible to establish a link between the printing parameters, the microstructure and the mechanical properties. Indeed, the samples that had been exposed for a longer period of time to a more powerful laser showed weaker mechanical properties as well as a number of significant defects characteristic of a high energy density transmitted to the metal powder. Similarly, the group of specimens exposed at lower laser power and for a short period of time also had many defects such as unmelted powder particles or metallographic pores. Nevertheless, despite high values of modulus of elasticity or mechanical strength, these specimens broke during the initial bending test. Finally, the last group had the same mechanical properties as the previous group without breaking in the initial test. Furthermore, this group had few defects and of smaller sizes than those observed in the other two groups. This last set was developed with a combination of parameters that offers an intermediate energy density to be transmitted to the material. This link between the energy density and the characterisation of the samples made it possible to take into account the three parameters studied here.

Au long des trois derni`eres d´ecennies, la fabrication additive s’est d´evelopp´ee de mani`ere importante. Si elle ne s’adressait au d´ebut qu’aux polym`eres, elle s’est rapidement diversifi´ee pour se tourner vers d’autres familles de mat´eriaux tels que les m´etaux. Les avantages que pr´esentent cette technique sont nombreux, la r´eduction des pertes de mati`eres et la diminution des coˆuts de production ´etant les plus importants. Les applications de la fabrication additive se sont principalement impos´ees dans les secteurs des transports. Dans ce domaine o`u l’objectif est `a la r´eduction de poids tout en conservant de bonnes propri´et´es m´ecaniques, l’alliage AlSi10Mg ´etudi´e ici est d´ej`a largement utilis´e et la technique de fabrication additive permettrait donc de cumuler les avantages. Ainsi, l’objectif de ce projet est de caract´eriser des ´echantillons de cet alliage obtenus par Fusion Laser S´elective afin d’´etablir une relation entre la microstructure, les propri´et´es m´ecaniques et les param`etres d’impression utilis´es. Pour ce faire, trois sets d’´echantillons furent produits `a Sarrebruck (Allemagne) en faisant varier les param`etres suivants : la puissance du laser (P), la vitesse d’impression (v) et la distance entre les passages du laser (d). L’essai de flexion `a 4 points ne n´ecessitant pas de pr´eparation pr´ealable des ´echantillons fut r´ealis´e en premier. Toutefois, une fois celui-ci effectu´e, les pi`eces durent ˆetre pr´epar´ees pour la suite des essais. Une ´etude men´ee ant´erieurement sur le mˆeme alliage a permis d’´etablir un protocole adapt´e. Une fois cette ´etape termin´ee, des techniques de caract´erisation telles que l’observation au microscope ´electronique `a balayage et optique ou encore la diffraction d’´electrons r´etrodiffus´es permirent une ´etude microstructurale. En parall`ele, des essais tels que la microduret´e, la nanoindentation ou ”nanoscratch”(nanorayure) vinrent s’ajouter `a l’essai de flexion `a 4 points pour ´etudier les propri´et´es m´ecaniques. Les r´esultats obtenus `a la suite des diff´erents tests effectu´es permirent de faire le lien entre les param`etres d’impression, la microstructure et les propri´et´es m´ecaniques. En effet, les ´echantillons ayant ´et´e expos´es de fa¸con plus longue `a un laser plus puissant pr´esentaient des propri´et´es m´ecaniques plus faibles ainsi qu’une quantit´e de d´efauts importants et caract´eristiques d’une densit´e d’´energie importante transmise `a la poudre m´etallique. De la mˆeme fa¸con, le groupe d’´echantillons expos´es `a une puissance de laser plus faible et pendant une courte p´eriode pr´esentait lui aussi de nombreux d´efauts tels que des particules de poudre non fondue ou des pores de type m´etallographique. N´eanmoins, malgr´e des valeurs ´el´ev´ees de module d’´elasticit´e ou de r´esistance m´ecanique, ces ´echantillons ont rompu lors de l’essai de flexion initial. Pour terminer, le dernier groupe pr´esenta les mˆemes valeurs de propri´et´es m´ecaniques que le groupe pr´ec´edent sans rompre lors de l’essai initial. De plus celui-ci ne pr´esentait que peu de d´efauts aux formats inf´erieurs `a ce qui a ´et´e observ´es pour les deux autres groupes. Ce dernier set fut ´elabor´e avec une combinaison de param`etres garantissant une densit´e d’´energie transmise au mat´eriau interm´ediaire. Ce lien entre la densit´e d’´energie et la caract´erisation des ´echantillons a permis de prendre en compte les trois param`etres ´etudi´es ici.