Premier aperçu de la fabrication additive de nouveaux alliages de titane beta métastables

(fre) La fusion sélective par laser est une technologie de fabrication additive, c'est-à-dire qu'elle permet de construire des objets en 3D par ajout de matière. Une des limitations actuelle de cette technique est le nombre restreint de matières premières disponibles commercialement. Il est donc nécessaire de diversifier cette palette de matériaux par exemple par mélange de poudres existantes. Pour ce faire, le titane est un matériau de choix puisqu'il combine des propriétés très intéressantes telles qu'une haute résistance spécifique et une excellente résistance à la corrosion. Son inconvénient majeur est son faible écrouissage. Une nouvelle génération d'alliages beta métastables présentant un écrouissage supérieur grâce à l'activation d'effets TRIP/TWIP a vu le jour. Ce mémoire vise à développer un nouvel alliage de titane beta métastable présentant un écrouissage supérieur au Ti-6Al-4V sur base d'un mélange de poudres de cp Ti, Ti-6Al-4V et acier 316L. Ce travail s'articule autour de deux parties. Premièrement, des coulées de différentes compositions de cp Ti, Ti-6Al-4V et acier 316L ont été réalisées grâce à la carte Bo-Md qui permet d'estimer les modes de déformation plastique activés et les phases stabilisées pour une composition. Elles ont ensuite été caractérisées dans le but de trouver une composition présentant des effets TRIP/TWIP. Deuxièmement, les poudres de cp Ti, Ti-6Al-4V et acier 316L ont été mélangées mécaniquement dans le but d'obtenir la même composition que l'alliage trouvé dans la première partie. Ensuite, son impression est optimisée et caractérisée. Pour la première partie, il a été observé que seule une coulée sur trois a pu être monophasée beta métastable et qu'elle ne présentait pas d'effet TRIP/TWIP malgré les prédictions de la carte Bo-Md. Différentes hypothèses peuvent expliquer ces divergences : la carte ne fonctionne pas pour des alliages avec autant d'éléments, la carte ne prend pas en compte l'influence des éléments interstiels ou encore l'aluminium agit comme un élément $\beta$ stabilisant dans les alliages beta et favorise donc le glissement des dislocations par rapport à l'effet TWIP. Pour la seconde partie, l'impression du Ti-6Al-4V a été maitrisée et peut donc servir de base de comparaison au mélange de poudres. Le mélange de poudres était globalement homogène. Il a pu être imprimé avec succès, cependant, une trop grande porosité de 2.5 % a été obtenue avec les paramètres optimaux trouvés. La microstructure comporte des bains de fusion avec au centre : de longs grains beta dans la direction radiale et à la frontière : des petits grains beta équiaxes avec de la phase alpha aux joints de grains. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, la courbe de traction de l'éprouvette imprimée en mélange de poudres n'est pas entrée en plasticité due aux défaut de l'impression 3D. En comparant les courbes de traction du Ti-5.3Fe-1.3Cr-1Al-0.7Ni-0.6V-0.2Mo-0.1Mn (même composition que le mélange de poudre mais coulé) et du Ti-6Al-4V, elles sont similaires et on n'observe pas l'augmentation d'écrouissage espérée puisqu'il n'y pas l'activation d'effet TRIP/TWIP. En conclusion, un alliage présentant une combinaison d'effets TRIP/TWIP n'a pas encore été trouvé. Il a cependant été possible de trouver un procédé de mise en œuvre fonctionnel pour réaliser les coulées et d'imprimer des pièces en mélange de poudres homogènes même si les paramètres d'impression doivent toujours être optimisés pour diminuer la porosité.

(eng) The SLM is an additive manufacturing method, allowing to build parts in 3D by the addition of material. The limitation of this technique is that only thirty different materials are commercially available. Therefore, new alloys should be developed for SLM preferably using a combination of available powders, as this would have commercial and flexibility benefits. Titanium is a good candidate for this purpose. It combines very interesting properties like a high specific resistance and an excellent corrosion resistance. Its main drawback is the lack of strain hardening. However, a new family of beta metastable Titanium alloys has arisen which presents a higher strain hardening thanks to the combination of TRIP/TWIP effects. This thesis aims at developing a new beta metastable titanium alloy with a higher strain hardening than Ti-6Al-4V based on a powder mixture of cp Ti, Ti-6Al-4V and steel 316L. This work is divided in two parts. First, different compositions of cp Ti, Ti-6Al-4V and steel 316L were casted thanks to the Bo-Md map which allows the prediction of the plastic deformation modes and the stabilised phases of a composition. They were characterized in order to determine the presence of TRIP/TWIP effects. Second, the powders were mechanically mixed to obtain the same composition as the alloy found in the first part of this work. Then, its printing was optimized and characterized. For the first part, it was observed that only one of the casted samples could be entirely beta but no TRIP/TWIP effect was noticed despite the map predictions. Different assumptions can explain these discrepancies : the map does not work with multicomponent alloys, the map does not take into account the influence of the interstitial elements or the Aluminium acts as a beta stabilizing element which favours slips against TWIP. For the second part, the printing of Ti-6Al-4V was mastered. Therefore, it could be used as a comparative basis for the powder mixture. The powder mixture was globally homogeneous. It was printed with success. However, a residual porosity of 2.5 % was obtained with the best parameters. The microstructure was composed of melting pools containing in the middle : elongated beta grains in the radial direction and at the boundary : small equiaxed beta grains with alpha phase at the grain boundary. With regard to the mechanical properties, the stress - strain curve of the printed powder mixture sample did not enter into plasticity due to defects from the 3D printing. The curves of the Ti-5.3Fe-1.3Cr-1Al-0.7Ni-0.6V-0.2Mo-0.1Mn and the Ti-6Al-4V were quite similar and no increase of strain hardening was observed because there was no TRIP/TWIP effect. To conclude, no alloy activating TRIP/TWIP effect was found. However, a functional process to realize the castings was established and the printing of homogeneous powder mixture parts was performed. Some research work is still required to optimize the printing parameters decreasing the porosity of the printed samples.