23 septembre 2024

À LA CONQUÊTE DU CUIVRE ET DU NICKEL

Chase Sheeley est ingénieur de recherche en fabrication additive chez SPEE3D. Il a obtenu une maîtrise en science et ingénierie des matériaux avec une thèse sur la fabrication additive d'acier inoxydable et apporte à l'entreprise une expérience précieuse dans l'industrie aérospatiale et de la défense.

Chaque jour, chez SPEE3D, nous cherchons à élargir les possibilités de la fabrication additive par pulvérisation à froid (CSAM).

Et en tant que personne en première ligne du développement de nouveaux matériaux - les matériaux SUBSAFE, plus précisément - je peux parler des défis auxquels les ingénieurs de recherche sont confrontés pour qualifier de nouveaux métaux et alliages pour la production.

Le nickel-cuivre en est un parfait exemple.

Le Naval Sea Systems Command (NAVSEA) avait approché SPEE3D avec une demande spécifique pour un alliage cuivre-nickel. Il s'agit d'un matériau avec lequel ils travaillent en étroite collaboration depuis près de 70 ans, car il offre un équilibre parfait entre la solidité, la ductilité et la résistance à la corrosion pour les navires et les équipements en mer.

Cependant, les pièces moulées en cuivre-nickel ont souvent un taux de retombées élevé et ne peuvent donc pas être créées dans une fonderie sans nécessiter des délais extrêmement longs.

L'internalisation de la production de pièces moulées pourrait effectivement aider la marine à éliminer ces longs délais d'exécution. CSAM était donc la solution idéale.

Mais la création de l'alliage n'a pas été une mince affaire.

Pour comprendre pourquoi, il faut d'abord savoir comment l'additif de pulvérisation à froid est utilisé pour créer des pièces métalliques.

Dans un processus typique de pulvérisation à froid, la poudre de départ est chargée dans une imprimante SPEE3D et pulvérisée à des vitesses supersoniques sur un substrat. La pièce imprimée doit ensuite être chauffée dans un four - ou frittée - pour créer l'alliage souhaité.

Dans certains cas, une presse isostatique à chaud (HIP) est utilisée pour ajouter de la pression au processus avec du gaz, en appliquant uniformément une force de 30 000 psi à la pièce, ce qui dépasse la pression que l'on s'attendrait à trouver au fond de la mer la plus profonde.

Cela nous permet de fermer les pores dans le métal chauffé, en écrasant potentiellement les oxydes qui menacent la ductilité, la performance et la fiabilité d'un matériau.

Une fois traitée thermiquement, la pièce doit être refroidie. Deux méthodes courantes consistent à la laisser refroidir lentement dans le four ou à la "tremper" dans de l'eau froide pour verrouiller rapidement sa microstructure.

Mais si la littérature est claire sur la manière d'imprimer, de traiter thermiquement et de refroidir les matériaux couramment fabriqués de manière additive, comme l'acier inoxydable, elle n'a pas grand-chose à dire sur le cuivre-nickel.

Pour créer une formule de traitement thermique CSAM pour ce produit, nous devrions naviguer en terrain inconnu.

Notre premier défi a été la matière première elle-même. Contrairement à d'autres matériaux, le cuivre-nickel est un mélange d'éléments purs qui est homogénéisé en un alliage final par le processus de traitement thermique.

Pour trouver la bonne combinaison d'éléments, nous devions simplement expérimenter - et le succès de chaque expérience ne pouvait être déterminé qu'après avoir chauffé et refroidi chaque pièce. Cela prenait naturellement du temps.

L'ordre des opérations a dû faire l'objet d'une expérimentation supplémentaire.

Tout d'abord, nous avons laissé la pièce chauffée dans le four pour qu'elle refroidisse lentement, ce qui a créé d'énormes précipités de durcissement dans la microstructure et a rendu la pièce trop fragile.

Nous avons ensuite essayé de tremper la pièce chauffée pour accélérer le processus de refroidissement, mais ce faisant, nous avons empêché les précipités de durcissement de se former dans la microstructure.

Cela a rendu la pièce trop ductile.

En fin de compte, en homogénéisant la pièce en cuivre-nickel avant d'appliquer une presse isostatique à chaud, puis en régulant la vitesse de refroidissement à un degré modéré, nous avons pu trouver le bon équilibre entre résistance et ductilité, et créer la microstructure souhaitée.

Mais notre travail se poursuit.

Bien que nous ayons réussi à établir la séquence correcte de fabrication additive du cuivre-nickel, nous sommes toujours en train de fournir des preuves de répétabilité. 

Valider le matériau selon les normes militaires, montrer qu'il peut passer tous les tests de validation, établir une qualité constante des dizaines de fois d'affilée - c'est un processus ardu qui peut prendre de six à quinze mois.

En d'autres termes, il reste beaucoup à faire pour optimiser le processus et fournir une poudre de matériau capable de remplacer de manière sûre et fiable une pièce fabriquée traditionnellement et utilisée dans diverses applications critiques.

Bien que le cuivre-nickel ait été notre principal centre d'intérêt, nous explorons en permanence de nouveaux horizons dans le domaine de la science des matériaux afin d'élargir nos capacités et de répondre aux divers besoins de l'industrie.