Impression 3D de monocristaux de nickel à l’aide de la technologie de fabrication additive laser

Impression 3D de monocristaux de nickel à l'aide de la technologie de fabrication additive laser

(À gauche) Faisceau laser irradié sur le lit de poudre et les objets cylindriques monocristallins résultants produits. (À droite) Un faisceau laser plat peut être appliqué pour former des cristaux alignés dans la même orientation, tandis que l’application d’un faisceau laser gaussien conventionnel donne des grains cristallins moins orientés. Crédit : Tomonori Kitashima/Institut national des sciences des matériaux

Le NIMS et la Graduate School of Engineering de l’Université d’Osaka ont réussi à fabriquer un monocristal de nickel avec seulement très peu de défauts cristallins en irradiant de la poudre de nickel avec un faisceau laser plat à grand rayon (c’est-à-dire un faisceau laser dont l’intensité est uniforme sur un section transversale de la poutre). Cette technique peut être utilisée pour fabriquer une grande variété de matériaux monocristallins, y compris des matériaux résistants à la chaleur pour les moteurs à réaction et les turbines à gaz.

Des études antérieures ont rapporté que des monocristaux peuvent être fabriqués à l’aide de la fabrication additive par faisceau d’électrons. Cependant, cette technique nécessite un équipement coûteux et son fonctionnement est également coûteux du fait de la nécessité de créer une dépression, ce qui limite sa généralisation. Bien que la fabrication additive au laser puisse être réalisée à l’aide d’équipements moins chers, les efforts précédents pour fabriquer des monocristaux à l’aide de cette technique avaient échoué. Lorsqu’un matériau en poudre de métal brut est irradié avec un faisceau laser, il fond, formant une interface solide-liquide. Il avait été difficile de faire croître des grains près de l’interface dans la même direction et d’empêcher la formation de défauts inducteurs de déformation causés par leur solidification.

Ce problème s’est avéré être attribué au profil d’intensité des faisceaux laser gaussiens conventionnels (c’est-à-dire des faisceaux laser avec une intensité en forme de cloche sur une section transversale du faisceau), qui provoque la formation de polycristaux composés de grains cristallins moins orientés avec nombreux joints de grains.

Cette équipe de recherche NIMS-Osaka University Graduate School of Engineering a réussi à fabriquer des monocristaux à l’aide d’un faisceau laser à sommet plat, formant une surface de bain de fusion plate sur les poudres de nickel. Les grains cristallins individuels ont poussé dans la même direction avec moins de défauts induisant des déformations. Les monocristaux sans joints de grains, qui sont susceptibles de se fissurer, sont très résistants à des températures élevées. Cette nouvelle technique offre un moyen de minimiser la génération de contraintes et la fissuration des cristaux lors de leur solidification. De plus, cette technique ne nécessite pas l’utilisation de germes cristallins, ce qui simplifie les processus de fabrication additive.

En plus du nickel, cette technique de fabrication additive laser peut être utilisée pour transformer d’autres métaux et alliages en objets monocristallins. Les composants des turboréacteurs et des turbines à gaz deviennent de plus en plus complexes et légers, et la demande de fabrication additive de ces composants à l’aide de superalliages à base de nickel résistants à la chaleur augmente. Parce que les monocristaux sont plus résistants que les polycristaux à des températures élevées, leur utilisation pratique en tant que matériaux résistants à la chaleur est prometteuse. Les efforts mondiaux de R&D pour y parvenir en utilisant une technologie de fabrication additive laser moins chère et largement utilisée devraient s’intensifier rapidement.

Cette recherche a été publiée dans Lettres de fabrication additive.


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Plus d’information:
Dennis Edgard Jodi et al, Fabrication de monocristaux de nickel pur par fusion laser sélective avec un faisceau laser plat, Lettres de fabrication additive (2022). DOI : 10.1016/j.addlet.2022.100066

Fourni par l’Institut national des sciences des matériaux

Citation: impression 3D de monocristaux de nickel à l’aide de la technologie de fabrication additive laser (12 juillet 2022) récupéré le 12 juillet 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-07-3d-nickel-crystals-laser-additive.html

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