Architecturation Laser de MAtéRIaux Superélastiques – ALMARIS

Un premier volet concerne les aspects numériques et plus précisément, l’optimisation de la forme des cellules à grande déformabilité élastique. Le point clé de ces architectures en NiTi est de limiter la concentration de contrainte et ainsi la plastification du matériau. On cherche donc, dans un premier temps, à reproduire numériquement la déformation de cellules superélastiques et en particulier la propagation du front de transformation martensitique en effectuant une analogie avec modélisation des instabilités de type Lüders. Il est alors possible de comparer plusieurs designs présentant des effets de structure dépliante ou déroulante.

Un second volet porte sur la maîtrise du procédé LBM pour la réalisation des architectures superélastiques en NiTi. L’étude des paramètres opératoires a porté sur l’influence des divers paramètres « machines » accessibles (puissance laser, vitesse de balayage, épaisseur de couche, diamètre du faisceau laser…) sur la qualité métallurgique, dimensionnelle et topographique de différentes géométries types. Afin d’étudier expérimentalement l’évolution des performances mécaniques du matériau et des architectures élaborées, différentes techniques de caractérisation sont utilisées comme l’indentation instrumentée (nanoindentation), la diffraction des rayons X et des mesures de déformations macroscopiques.

Le dernier volet concerne la caractérisation du matériau LBM sous forme de parois fines. En effet, les propriétés mécaniques sont habituellement données à partir d’essais réalisés sur des éprouvettes massives prélevées par usinage. L’analyse fine de la microstructure, les mesures de dureté, de contraintes résiduelles et des essais mécaniques menés sur des architectures en inconel 625 ont pour objectif de caractériser les propriétés mécaniques du matériau sous forme de parois. Un verrou concerne la nécessité d’une limite d’élasticité élevée afin de garantir la répartition homogène des efforts au sein de l’architecture.

Des pièces architecturées en NiTi ont été obtenues via le procédé LBM. Ce type de matériau s’est révélé très sensible à la qualité de la poudre et à la nature du support de lasage. Après avoir identifié le domaine paramétrique dans lequel le bain est stable et le cordon continu, les essais de lasage réalisés sur la machine de fabrication additive du CdM Phenix PM100 ont permis de fabriquer une pièce architecturée de plusieurs centimètres de dimension (épaisseur = qq mm), ainsi qu’une série de cylindres pour la caractérisation mécanique (compression et nano-indentation). Le matériau lasé possède une température finale de transformation de l’austénite notée Af légèrement plus élevée que la poudre brute. Les modifications des températures de transformations sont attribuées à la modification de la composition qui se décale vers des concentrations en titane plus élevées.

Le volet numérique a permis de mettre en évidence deux modes de comportement selon le design des cellules en traction simple: propagatif et non propagatif. Les architectures carrée et triangulaire exhibent un comportement propagatif des instabilités de localisation dans les branches de connectivité parallèle à la direction de traction. Dans le cas de la cellule hexagonale en revanche, les bandes de localisation ne se propagent pas dans les branches de la cellule, car les nœuds de connectivité jouent le rôle de rotule plastique.

Enfin, les caractérisations menées sur les architectures en inconel 625 montrent qu'il est possible d'extraire des paramètres d’élasticité en flexion ou en torsion en considérant le milieu homogène équivalent grâce à des mesures de contraintes par élasticité impulsionnelles. Ceci pourra être appliqué à la caractérisation des éprouvettes architecturées en NiTi. L'indentation instrumentée devrait permettre d'évaluer la superélasticité du matériau constitutif.

Le volet numérique va se poursuivre par l’exploration de cellules de géométries plus complexes (rotachirale, hexachirale, auxétique, 3D..) et pour lesquelles on cherchera à implémenter la loi de comportement du NiTi dans Zset. Une première étape consistera à déterminer s’il est possible de transposer les conclusions faites à partir des bandes de Lüders avec la transformation martensitique du NiTi. On évaluera la possibilité d’introduire un comportement constitutif non-linéaire du NiTi dans le cadre numérique de l’optimisation topologique.

Le volet expérimental va se poursuivre par la mise en évidence des propriétés superélastiques des pièces obtenues par LBM en réalisant des mesures de nanoindentation et de compression. Ces mesures vont permettre de mettre en évidence l’impact du procédé de fusion laser sur les propriétés superélastiques d’un NiTi équiatomique par rapport à un NiTi équiatomique obtenu par fusion à arc. Ces propriétés vont pouvoir être corrélées avec les microstructures observées et les mesures des températures de transformation.

La poursuite des travaux s’oriente vers le développement d’un alliage superélastique à composition modifiée dédiée à la fabrication par LBM. La caractérisation des propriétés mécaniques sur des mélanges de poudres fondues par fusion à arc ainsi que les mesures des températures de transformation ont d’ores et déjà permis d’identifier des compositions candidates.

1. Antoine-Emmanuel Viard, Justin Dirrenberger, Samuel Forest, Propagating instabilities in architectured materials, 6th European Conference on Computational Mechanics, 11-15 June 2018, Glasgow, UK

L’objectif de ce projet est de concevoir et de fabriquer, via le procédé SLM (Selective Laser Melting), des architectures métalliques périodiques modèles, capables de se déformer collectivement de manière réversible afin d’offrir des propriétés d’amortissement et de compliance aux structures qui les intègrent. Si cette voie de fabrication couche par couche offre une flexibilité de conception attrayante pour les matériaux architecturés métalliques, certains verrous scientifiques et technologiques nécessitent d’être levés pour créer des effets d’architecture favorables (de type auxétique, métamatériaux,...). L’approche d’optimisation du trityque matériau/architecture/procédé proposée ici s’inscrit dans une démarche de conception de « matériaux sur mesure » qui s’appuie sur le développement d’outils à la fois numériques et expérimentaux. Au-delà de l’élasticité des architectures métalliques, le projet ambitionne d’exploiter les propriétés de l’alliage NiTi pour augmenter l’amplitude de déformation élastique et offrir des possibilités d’actuation.

L’originalité du projet ALMARIS est d’exploiter la chaîne complète d’élaboration de pièces par SLM, allant de la fabrication des poudres jusqu’à la réalisation et la caractérisation d’un démonstrateur, en optimisant à la fois la forme des cellules et la métallurgie du matériau constitutif. L’étude proposée ici porte, d’une part, sur un superalliage base Ni (l’Inconel® 625) dont la fabrication est parfaitement maitrisée en SLM, et d’autre part, sur l’alliage quasi-stoechiométrique NiTi qui requiert des mises au point du procédé SLM et des post-traitements pour garantir sa super-élasticité. La levée des verrous technologiques et scientifiques nécessaire pour mener à bien ce projet fait donc appel à des compétences très diverses allant de l’élaboration et la caractérisation métallurgique et microstructurale, à la modélisation mécanique et au développement de modèles de comportement, en passant par l’optimisation topologique, la caractérisation mécanique, du développement de moyens de mesure des champs locaux, à l’analyse des contraintes résiduelles.

Le projet s’articule autour de 6 Work-Packages :
- WP 0 : Coordination
- WP 1 : Mise au point du procédé SLM
- WP 2 : Etude de la super-élasticité
- WP 3 : Modélisation et optimisation de forme
- WP 4 : Caractérisations mécaniques
- WP 5 : Fabrication de démonstrateurs super-élastiques

Le consortium se compose de l’Onera the French Aerospace Lab, du Centre des Matériaux (CdM) des Mines ParisTech, du laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux (PIMM) des Arts et Métiers, du LAboratoire des Systèmes Mécaniques et d’Ingénierie Simultanée (LASMIS) de l’Université de Technologie de Troyes, et de la société Poly-Shape.