Avancées dans le bimétallique

Les capacités de dépôt bimétallique sont fréquemment citées comme l’une des principales raisons de l’utilisation du dépôt à énergie dirigée (DED) dans diverses industries. La combinaison de plusieurs matériaux dans une seule pièce solide ouvre la possibilité d'améliorer les performances en choisissant intentionnellement les propriétés des matériaux en fonction des propriétés de performance requises dans différentes zones de la pièce. Cet avantage est accéléré plus les métaux combinés sont dissemblables et plus les propriétés des pièces peuvent être modifiées.

Historiquement, l’utilisation du cuivre dans le DED a été limitée en raison de sa nature réfléchissante. De nouvelles stratégies de processus ont permis l’adoption précoce du revêtement sur les composants en cuivre. Cependant, des géométries plus complexes et le coût élevé du cuivre rendent également souhaitable le dépôt de cuivre. Les progrès récents dans l'industrie du laser permettent d'utiliser des lasers bleus dans les machines DED qui permettent le dépôt d'alliages de cuivre plus avancés ainsi que de cuivre pur.

En utilisant des lasers infrarouges (IR = 1 040 nm), le coefficient d'absorption du cuivre pur n'est que d'environ 2 %. Par conséquent, des alliages de cuivre ont été utilisés pour augmenter l’absorption, tels que CuAl10, CuSn8, CU18150 et autres. Néanmoins, l’absorption est bien inférieure à celle des aciers les plus couramment utilisés et les lasers de haute puissance supérieure à 3 000 W trouvent donc une bonne utilisation dans de telles applications. De plus, le préchauffage du substrat de cuivre et les stratégies avancées de revêtement utilisant des angles de dépôt plus efficaces ont connu du succès au cours des dernières années.

Les applications typiques se concentrent sur le revêtement en Inconel sur un substrat de cuivre dans diverses applications spatiales, le plus souvent dans les tuyères de fusée. Par exemple, la figure 1 montre la configuration d'un revêtement en cuivre fabriqué en CU18150 sur un système de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) (LASERTEC 30 DUAL SLM de DMG Mori) serré dans la broche principale du tour à cinq axes. broyeur LASERTEC 3000 DED machine hybride. Le revêtement en cuivre du CU18150 a été construit à l'aide d'un laser de 1 000 W sur le système LPBF et des canaux de refroidissement ouverts ont été ajoutés autour du diamètre extérieur. Un laser de 3 000 W a été utilisé sur la machine hybride-DED pour déposer de l'Inconel 625 autour de la circonférence et fermer les canaux de liquide de refroidissement en conséquence. Le reflet du revêtement en cuivre constitue un défi dans l’établissement d’un processus stable conduisant à une bonne liaison du matériau.

Avec la bonne stratégie de dépôt et un parcours d'outil avancé créé dans un programme de FAO à cinq axes tel que Siemens NX, des résultats réussis peuvent être obtenus, comme le montre la figure 2. Une couche d'Inconel cohérente est appliquée autour de la circonférence et l'analyse microstructurale montre une bonne liaison entre le substrat de cuivre et la couche d'Inconel.

En utilisant une combinaison d'un système LPBF et d'un système DED, la taille de ces composants est limitée à des tailles d'enveloppe typiques d'un pied cube, ou légèrement plus grandes dans les développements de machines plus récents. Afin de répondre aux exigences de l’industrie spatiale, il est souhaitable d’utiliser toute l’enveloppe des machines hybrides DED qui couvrent des diamètres allant jusqu’à 1 250 mm et des longueurs de pièces allant jusqu’à 6 000 mm entre les broches. Par conséquent, un système DED capable de déposer du cuivre et donc de construire le revêtement en cuivre dans la même enveloppe présente une formidable opportunité pour des composants spatiaux plus avancés avec des avantages économiques très attractifs.

Les développements récents dans l'industrie du laser fournissent des lasers à diode avec une puissance laser plus élevée dans des plages de longueurs d'onde alternatives. En particulier, les lasers à lumière verte et bleue dans le spectre de la lumière visible ne sont devenus économiquement viables que récemment. La figure 3 montre l'avantage d'utiliser des lasers à lumière bleue dans un spectre de longueurs d'onde de 450 nm par rapport aux lasers IR compris entre 900 et 1 070 nm. Les lasers bleus (450 nm) présentent des progrès supplémentaires par rapport aux lasers verts (515 nm). L’absorption d’énergie est améliorée pour tous les métaux, les gains les plus significatifs étant réalisés avec le cuivre.

Une comparaison des éléments de base que sont le fer, le nickel et le cuivre montre une absorption améliorée. Le cuivre n’absorbe pratiquement aucune lumière dans le spectre infrarouge et atteint le même niveau d’absorption que le nickel et le fer dans le spectre des longueurs d’onde bleues. De plus, le nickel absorbe la lumière avec une efficacité 19 % supérieure dans la gamme du laser bleu. En conséquence, le dépôt de cuivre pur et d’alliages de cuivre faiblement alliés tels que le CU18150 devient réalisable dans le procédé DED.