La mise en forme de métaux et d’alliages métalliques par fusion laser sur lit de poudre pour applications à haute température

Leclercq, Aurore (2025). La mise en forme de métaux et d’alliages métalliques par fusion laser sur lit de poudre pour applications à haute température. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Pour de nombreux dispositifs travaillant à haute et très haute température, l'augmentation des performances vient avec l'élévation de la température d'opération. Bien que les procédés de fabrication additive permettent d'élargir la plage d’utilisation des matériaux traditionnels, de nouveaux matériaux sont nécessaires pour dépasser leurs limites. Ce projet se concentre sur la recherche d’une alternative plus performante aux matériaux communément utilisés dans la chambre de combustion et l'assemblage du rotor d'une microturbine à architecture renversée. Ce projet vise des métaux réfractaires, un alliage de titane de nouvelle génération et un intermétallique à base d’aluminures de titane, mis en forme par fusion laser sur lit de poudre.

L’objectif est de réduire les contraintes d’intégration des nouveaux matériaux sur des machines à puissance limitée, sans contrôle de température dans la chambre d’impression. Le projet commence par collecter des informations sur le bain de fusion par des approches numériques et expérimentales, puis continue avec un plan d'expériences réduit pour produire des échantillons pour analyses structurales et tests mécaniques et obtenir des jeux de paramètres optimisés spécifiques à chaque matériau. Enfin, des pièces de précision, d’autres à géométries complexes, voire de premiers prototypes, sont fabriqués pour tester l’imprimabilité et la robustesse des paramètres retenus.

Le projet débute avec le tungstène et le molybdène. Un modèle numérique a permis de définir rapidement un plan d’expériences et d'obtenir des échantillons sans fissures, avec des propriétés compétitives par rapport à la métallurgie des poudres conventionnelle. L'ajout de rhénium au molybdène et le recours à des post-traitements ont amélioré les propriétés mécaniques, bien que des problèmes d'oxydation aient limité les performances à haute température. Les limites d'imprimabilité ont été déterminées, et un prototype d'injecteur micro-prémélangé en molybdène pur a été produit, bien qu'il n'ait pas pu être testé en conditions réelles.

Ensuite, ne pouvant recourir au modèle numérique pour l’alliage de titane nouvelle génération Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, la démarche a été adaptée de manière expérimentale. Cette approche a permis de définir des plages réduites de paramètres de fabrication pour enfin obtenir des échantillons de qualité, avec des jeux de paramètres optimisés offrant le choix entre productivité et précision. Cependant, les tests mécaniques ont révélé un manque de ductilité critique dans le cadre de cette application, que des post-traitements ont su améliorer au détriment de la résistance mécanique. Enfin, le passage vers un équipement de capacité équivalente a mis en avant que la différence d’architecture seule d’un tel équipement suffît à compromettre les propriétés obtenues, justifiant la nécessité d’ajustement des paramètres de fabrication pour chaque équipement de fabrication.

Enfin, pour l’intermétallique à base d’aluminures de titane Ti-22Al-25Nb, les modifications des paramètres de fabrication n'ont pas suffi à éviter les fissures dans les pièces. Un post-traitement en sortie d’impression a permis d’obtenir des échantillons sains, mais le passage à des géométries plus complexes et plus larges a révélé les limites de cette solution. Les données recueillies ont cependant permis de définir des critères d’imprimabilité pour cet alliage, tout en soulignant les contraintes de sa mise en forme sur des machines à puissance limitée sans contrôle de température dans la chambre d’impression.

Ce projet montre que, bien que prometteuse, l’implémentation de nouveaux métaux pour application à haute température par le procédé de fusion laser sur lit de poudre reste soumise à des défis techniques liés à l’optimisation des paramètres de fabrication et de post-traitements avant d’envisager leur intégration dans des dispositifs fonctionnels.

Titre traduit

Processing of metals and alloys via laser powder bed fusion for high-temperature applications

Résumé traduit

For many systems operating at high and very high temperatures, performance improvements come with an increase in operating temperature. Although additive manufacturing processes allow for an expanded range of use for traditional materials, new classes of materials are needed to surpass their inherent limitations. This project focuses on offering an alternative for metals actually used in the combustor and the rotor assembly of an inside-out microturbine. To this end, refractory metals, a next-generation titanium alloy, and a titanium aluminide-based intermetallic have been selected to be processed using the laser powder bed fusion (LPBF) additive manufacturing process.

The objective is to reduce the integration constraints of new materials on low-power machines without temperature control in the printing chamber. The project begins by collecting information about the melt pool through both numerical and experimental approaches, then developing a reduced plan of experiments to produce samples for structural analysis and mechanical testing in order to obtain optimized parameter sets specific to each material. Finally, precision parts, others with complex geometries, and initial prototypes are manufactured to test the printability and robustness of the selected parameters.

The project starts with tungsten and molybdenum. A numerical model allowed for the quick definition of a reduced plan of experiments and the production of crack-free samples with properties competitive with conventional powder metallurgy. The addition of rhenium to molybdenum and the use of post-processing improved the mechanical properties, although oxidation problems limited high-temperature performance. Printability limits were determined, and a pure molybdenum micro-premixed injector prototype was produced, though it could not be tested in real conditions.

Next, due to the complexity of the fusion and solidification phenomena in the next-generation titanium alloy Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, the approach was adapted experimentally. This method enabled the definition of reduced ranges of process parameters, ultimately producing high quality samples with optimized parameter sets offering a choice between productivity and precision. However, mechanical testing revealed a critical lack of ductility for this application, which was improved through post-processing at the expense of mechanical strength. Finally, moving to an equivalent capacity equipment highlighted that the architectural difference between the two equipment alone was enough to compromise the obtained properties, justifying the need to adjust the process parameters for each new piece of equipment.

Finally, for the titanium aluminide-based intermetallic Ti-22Al-25Nb, modifications to the process parameters were not sufficient to prevent cracking in the parts. A post-processing step after printing allowed for the production of sound samples, but moving to more complex and larger geometries revealed the limits of this solution. However, the data collected allowed for the definition of printability criteria for this alloy, while emphasizing the constraints of printing on machines with limited power and no temperature control in the printing chamber.

This project demonstrates that, although promising, the implementation of new metals for high-temperature applications using laser powder bed fusion still faces technical challenges related to the optimization of process and post-process parameters before their integration into functional devices.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (367-407).
Mots-clés libres:	fabrication additive, métaux réfractaires, alliages de titane, intermétalliques à base d’aluminures de titane, tests haute température, post-traitements, géométries complexes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 févr. 2026 20:48
Dernière modification:	24 févr. 2026 20:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3792

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