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Amélioration du fini de surface par électropolissage des composants en alliage de titane (TI64) et nickel (IN625) fabriqués par FSL

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Urlea, Victor (2017). Amélioration du fini de surface par électropolissage des composants en alliage de titane (TI64) et nickel (IN625) fabriqués par FSL. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce travail porte sur la finition de surface par électropolissage des composants fabriqués à base des poudres d’alliages de titane (Ti-6Al-4V) et de nickel (Inconel 625) par fusion sélective au laser. Le fini de surface est affecté par quatre phénomènes principaux : l’effet d’escalier, d’ondulation, d’agglomération et l’accumulation des particules partiellement frittées en périphérie. L’influence de ces phénomènes peut être minimisée en optimisant les paramètres de fabrication, mais jusqu’à une certaine limite, d’où la nécessité d’effectuer un traitement de finition de surface post-fabrication.

Les techniques mécaniques de finition se trouvent limitées quant à l’accès à l’intérieur des pièces complexes et le seul processus de finition par attaque chimique n’arrive pas à complètement nettoyer les surfaces. Le processus d’électropolissage, échappant à ces limites, a été choisi comme technique d’amélioration du fini de surface dans le cadre de ce projet.

Dans un premier temps, les courbes potentiel-densité de courant ont été tracées pour les deux alliages dans leurs électrolytes respectifs. Il a été vu que le Ti-6Al-4V ne présente pas de plateau stable de la densité de courant, contrairement à l’IN625. Par la suite, l’optimisation des conditions de polissage a démontré que la densité optimale de courant pour le polissage du Ti-6Al-4V était de 240 mA cm-2 et que l’IN625 se polissait mieux avec un potentiel stable de 9 V appliqué instantanément, aboutissant à une densité de courant comprise entre 26 et 31 mA cm-2.

Les conditions optimales de polissage ont été utilisées pour simuler le polissage d’un tube (barillet), composé de 7 échantillons (douelles), chacun fabriqué à un angle de fabrication différent : 0, 22.5, 45, 67.5, 90, 112.5 et 135 °. Il a été montré que, malgré une grande dispersion du fini des surfaces ainsi construites, allant de Ra = 4 μm (0°) à Ra = 23 μm (135 °) pour le Ti-6Al-4V et de Ra = 1.8 μm (0°) à Ra = 18.6 μm (135°) pour l’IN625, toutes les surfaces ont été polies jusqu’à une rugosité uniforme de Ra = 1-3 μm pour le titane et Ra = 1.5-3.5 μm pour l’inconel. Finalement, en surveillant l’épaisseur des douelles, il a été possible d’établir les tolérances d’électropolissage spécifiques à chaque orientation de fabrication, autant pour le Ti-6Al-4V que pour l’IN625.

Titre traduit

SURFACE FINISH IMPROVEMENT BY ELECTROPOLISHING OF TITANIUM (TI64) AND INCONEL (IN625) ALLOY COMPONENTS MANUFACTURED BY FSL

Résumé traduit

This study is about electropolishing of selectively laser melted (SLM) parts made of Ti-6Al-4V and IN625 alloys. Topographical differences between surfaces of different build orientations with respect to the building platform are caused by four major factors, namely: staircase effect, bailing, rippling and partially bonded particles. The influence of these factors can be minimised by tuning up the building parameters, but only to a certain limit, hence the need in post-build surface finishing operations.

The mechanical and chemical finishing techniques have severe limitations. On one hand, internal cavities are impossible to finish using conventional mechanical polishing techniques. On the other hand, chemical polishing often requires the use of strong acids in addition to not completely eliminating the SLM-related surface features. Given the preceding, electropolishing (EP) is considered to be one of the best-suited candidates for the surface treatment of SLM parts, and it will be used in the framework of this study.

First off all, the applied potential - surface current density relationship was established for both alloys within their respective electrolytes. It was found that Ti-6Al-4V does not present a stable current density plateau, while IN625 does. Afterwards, the electropolishing parameters optimisation has shown that the optimal current density for polishing Ti-6Al-4V is of 240 mA cm-2 and that IN625 polishes well when a constant potential of 9 V is applied instantly, resulting in a current density raging between 26 and 31 mA cm-2.

The optimal conditions of electropolishing were then used to simulate the electropolishing of a tube (barrel), composed of 7 staves, each one built at a different orientation: 0, 22.5, 45, 67.5, 90, 112.5 and 135 °. It was shown that, despite a large scatter in the as-built surface finish, ranging from Ra = 4 μm (0°) to Ra = 23 μm (135°) for Ti-6Al-4V and from Ra = 1.8 μm (0°) to Ra = 18.6 μm (135°) for IN625, all the differently-oriented surfaces were polished down to a uniform roughness of Ra=1-3 μm (Ti-6Al-4V) et Ra = 1.5-3.5 μm (IN625). Finally, thickness evolution measurements during finishing of the differently oriented test coupons allowed us to establish the build orientation-dependent allowances for the electropolishing of selectively laser-melted Ti-6Al-4V and IN625 parts.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Mots-clés libres: fabrication additive, fusion sélective au laser, orientation de fabrication, fini de surface, tolérances, électropolissage, Ti-6Al-4V, IN625
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 03 avr. 2018 20:47
Dernière modification: 03 avr. 2018 20:47
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1807

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