Study of laser-mater interaction for high value-added parts manufacturing of semi-transparent oxide ceramics by selective laser melting
Etude de l'interaction laser-matière pour la fabrication de pièces à haute valeur ajoutée en céramiques oxydes semi-transparentes par fusion laser sélective sur lit de poudre
Résumé
Selective laser melting of oxide ceramics (Al2O3-ZrO2and Al2O3) is identified as a promising way to produce complex shaped parts with oriented fine microstructures, which would not be achievable by conventional sintering. These lightweight parts, presenting excellent resistance to creep at high temperature and oxidation, would appear as the answer to weight reduction and temperature increasing of turbojet engines, as compared to the usual metal parts coated with porous ceramics. The material/process coupling relies on the controlled addition of an absorber to pure ceramic powders, that compensate the quasi-transparency of these materials to Yb:YAG laser radiation. The effect on optical properties of process parameters, absorbent nature and content, compactness of the powder bed and their influence on manufacturing stability are identified. For this purpose, innovative radiative measurements in reflection and in transmission were carried out during manufacturing and for different operating conditions. These dynamic measurements through an integrating sphere provide information on the laser-material interaction mechanisms taking place in each media and they give access to optical material properties. These measurements enrich an analytical laser-matter interaction model based on the radiation attenuation by the Beer-Lambert law. This model gives a relation between melt pool dimensions, radiative propertiesof the different media (powder bed, substrate and liquid) along with the associated absorption coefficients, the process parameters and powder bed porosity. This model expresses also the apparent melted section within the powder bed, the section of the melted zone within the substrate and the consolidation section within the powder bed. Some of these calculated data are not measurable and usefully contribute to a consolidation model of the powder bed. This model takes into account the material exchanges observed between so-called bare zones (linked to the ejection of powder particles) and consolidation zones. Quantification of these particles exchanges, which have a strong impact on the LBM of these oxide ceramics, allows the definition of a specific manufacturing strategy that compensates for the bare zone formation while avoiding the formation of hot spots. These data collection enables the manufacturing of LBM ceramic oxide parts with reduced porosity and controlled micro-cracking.
La mise en forme par fusion laser sélective (LBM) de céramiques oxydes (Al2O3-ZrO2 et Al2O3) a pour objectif l’obtention directe de pièces aux formes complexes et aux microstructures fines et dirigées qui ne peuvent être réalisées par le procédé conventionnel de frittage. Ces pièces légères, possédant une excellente tenue au fluage en température et à l’oxydation, pourront alors répondre aux problématiques d’allègement et d’augmentation de la température de fonctionnement des turboréacteurs, comparativement aux pièces métalliques revêtues de céramiques poreuses. La combinaison matériau/procédé repose sur l’ajout contrôlé d’un absorbant aux poudres céramiques pures, permettant de pallier leur quasi-transparence au rayonnement laser Yb:YAG. A travers la mesure des propriétés optiques, l’étude menée vise à identifier l’impact des paramètres du procédé, de la nature et teneur de l’absorbant, de la compacité du lit de poudre sur la stabilité du bain de fusion. Pour ce faire, des mesures radiatives innovantes en réflexion et en transmission ont été réalisées en cours de fabrication. Ces mesures en dynamique via une sphère intégrante informent sur les mécanismes d’interaction laser-matière des différents milieux traversés, et permettent d’accéder aux propriétés optiques associées. Ces données alimentent un modèle analytique d’interaction laser-matière basé sur l’atténuation du rayonnement par la loi de Beer-Lambert. Ce dernier fait le lien entre les dimensions des bains (largeur, profondeur), les propriétés radiatives des différents milieux concernés (lit de poudre, substrat et bain liquide), les coefficients d’absorption associés, les paramètres du procédé, l’épaisseur et la porosité du lit de poudre. Il constitue un outil pour exprimer analytiquement la forme et la section apparente fondue au sein du lit de poudre, celles de la zone refondue au sein du substrat ainsi que celles de la zone de consolidation au sein du lit de poudre. Certaines de ces données calculées et difficilement mesurables sont utiles pour alimenter un modèle de consolidation du lit de poudre prenant en compte les échanges de matière observés entre une zone dite dénudée (liée à l’éjection de particules du lit de poudre), et une zone dite de consolidation. La quantification de ces flux de matière, impactant fortement la fabrication par LBM de ces céramiques oxydes, a permis le développement d’une stratégie de construction spécifique qui compense la zone dénudée et évite le phénomène de points chauds. L’ensemble de ces données permet alors la mise en forme de pièces avec une porosité réduite et une microfissuration contrôlée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)