Fabrication additive de pièces multi-matériaux métal-céramique

Le procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) permet de mettre en forme des objets 3D grâce à un faisceau laser qui fusionne sélectivement des lits de poudre, déposés couche par couche. Ce procédé représente une technologie de rupture pour l’industrie spatiale. Il permet notamment la réalisation de pièces complexes et l’allègement des composants. Cependant, ce procédé a été conçu pour la réalisation de pièces monomatériaux. L’objectif de nos travaux a donc été de réussir à fabriquer des pièces multimatériaux, qui combinent des zones métalliques et céramiques dans les trois dimensions de l’espace. Ces travaux de thèse ont été réalisés dans un contexte industriel et ont été co-financés par le CNES et Thales Alenia Space. Ils font suite à une première thèse réalisée sur le sujet par F. Veron, qui a démontré la possibilité de fabriquer par le procédé L-PBF sous air, du métal (alliage AlSi12) ou de l’oxyde (essentiellement de l’alumine) sur un même lit de poudre, selon la densité d’énergie apportée par le laser. Un traitement d’activation chimique des poudres d’AlSi12 était toutefois nécessaire pour les sensibiliser vis-à-vis de l’oxydation in-situ par le dioxygène présent dans l’enceinte de fabrication. Une épaisseur trop importante de la couche oxydée (500 nm à 2 µm) avait toutefois généré une teneur en inclusions d’oxyde élevée qui entravait fortement la fusion des grains métalliques entre eux, lors de la fabrication additive. Les parties métalliques présentaient une porosité élevée à l’origine d’une faible cohérence mécanique et d’une rugosité de surface importante. Le premier objectif des travaux a donc été de développer un traitement d’activation plus approprié, générant des couches d’hydroxyde plus fines, afin d’obtenir des parties métalliques plus densifiées. Le nouveau traitement mis au point a consisté à faire réagir de l’eau pure chauffée à 55 °C avec des poudres d’alliage AlSi12. Les poudres ainsi activées présentent une absorbance à 1070 nm de 0,66 et une surface spécifique de 2,5 m².g-1. La couche d’hydroxyde formée avait une épaisseur de l’ordre de seulement 20 nm. La qualité des pièces métalliques, réalisées par fusion laser à partir de telles poudres, a été grandement améliorée en termes de cohérence mécanique, de rugosité de surface, de densité et de résistivité électrique. Il a enfin été montré qu’il était toujours possible de réussir à oxyder sélectivement le métal en alumine par le faisceau laser, en appliquant toutefois des conditions d’insolation très énergétiques, ce qui conduit à des temps de fabrication longs.Le perfectionnement des conditions d’insolation laser (choix des paramètres et des stratégies de fabrication, ordre d’insolation des différentes zones, etc…) des parties métalliques et céramiques, pour le nouveau traitement d’activation mis au point a constitué le deuxième objectif de la thèse. Nous avons ainsi obtenu des pièces céramiques densifiées à 94±1%, qui présentent une permittivité relative comprise entre 8 et 9 dans le domaine hyperfréquence (allant de 1 à 20 GHz). La densité des pièces métalliques a été estimée à 84±2%. Cette faible densité a été principalement attribuée aux inclusions d’oxydes générées lors de la fabrication de pièces métalliques sous air et à la déshydratation de la couche d’hydroxyde à la surface des grains de poudre activée. La rugosité latérale des pièces métalliques était de 14±2 µm. Plusieurs démonstrateurs multimatériaux ont ainsi été fabriqués avec succès, ce qui constituait un autre objectif majeur de la thèse. Des structures coaxiales métal/céramique ou des matériaux périodiques dans lesquels des billes métalliques étaient encapsulées ou enchâssées dans une matrice céramique ont été réalisés. Les premiers résultats issus des caractérisations hyperfréquences effectuées sur de telles pièces, se sont révélés prometteurs en vue d’applications en télécommunications spatiales