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Protocole standardisé de dépôt de métaux laser pour l’évaluation tribologique de composites matricielsTI 6Al 4V modifiés en céramique

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DOI :

10.3791/70083

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29 mai 2026

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1Department of Mechanical Engineering, Durban University of Technology, 2Department of Mechanical and Mechatronic Engineering, Cape Peninsula University of Technology

Dans cet article

Résumé

Ce protocole standardise le dépôt de métaux laser pour la fabrication de composites TI6Al4V modifiés en céramique renforcés avec B₄C et BN. Il intègre le dépôt contrôlé, la caractérisation microstructurale, les essais de dureté et l’évaluation de l’usure à coulisse sèche afin de corréler systématiquement l’apport d’énergie du laser avec la rétention du renforcement et la performance tribologique.

Résumé

Ce protocole décrit une méthode de dépôt laser de métal pour créer des composites matriciels de titane-6Aluminium-4Vanadium (TI 6Al 4V) modifiés, renforcés avec du carbure de bore et du nitrure de bore afin d’améliorer la dureté et la résistance à l’usure. Cette approche consiste à promouvoir la formation de phase in situ tout en conservant des particules céramiques partiellement non fondues pour un renforcement efficace. Le procédé intègre une interaction contrôlée laser-matériau pour permettre des réactions chimiques et préserver les phases céramiques au sein de la matrice de titane. La fabrication en composite est réalisée à l’aide d’un système de dépôt laser de métal (LMD) à dépôt par énergie dirigée (DED) avec un mécanisme d’alimentation coaxiale en poudre pour une délivrance uniforme de poudre et une stabilité accrue du bassin de fusion. Cette méthode permet une évolution microstructurale adaptée grâce à un renforcement par réaction et un renforcement particulaire. Contrairement aux techniques traditionnelles d’ingénierie des surfaces, cette méthode offre des liaisons métallurgiques, un contrôle de composition lors du dépôt et une manipulation microstructurale via l’ajustement de l’entrée d’énergie. Des couches composites étaient produites à 1400 W et 2000 W avec une vitesse de balayage et une vitesse d’alimentation en poudre constantes. Les essais de microdureté (HV0,5) et d’usure à coulisse sèche ASTM G99 ont été réalisés à des charges de 15 N et 25 N. Les échantillons produits à 1400 W présentaient une dureté moyenne plus élevée et un volume d’usure plus faible que ceux produits à 2000 W. Le protocole établit une approche systématique standard pour corréler la densité d’énergie laser avec la rétention du renforcement, le développement de la microstructure et la performance tribologique.

Introduction

La fabrication additive est une méthode puissante pour créer des alliages et composites à base de titane avec des microstructures et propriétés mécaniquespersonnalisées 1,2. Le dépôt laser de métaux (LMD) et le dépôt sélectif de métal laser (SLMD) sont des procédés de dépôt à énergie dirigée qui permettent la livraison précise de poudres métalliques ou composites dans une piscine de fusion générée par laser pour une fabrication couche par couche et un collage au substrat. Le titane–6Aluminium–4Vanadium (TI 6Al4V) reste l’un des alliages de titane les plus utilisés dans les applications aérospatiales, biomédicales et industrielles grâce à sa haute résistance spécifique, sa résistance à la corrosion et sa biocompatibilité3–5. Cependant, malgré ses propriétés mécaniques en vrac favorables, le TI6Al4V présente une dureté modérée et une résistance à l’usure relativement faible en conditions de contact glissant 6,7.

Des recherches antérieures utilisant le dépôt de métaux laser et des procédés associés de dépôt d’énergie dirigée ont démontré que les paramètres de traitement laser influencent fortement la microstructure, la formation de phase et le comportementmécanique 8,9. Des stratégies d’ingénierie de surface, incluant le traitement laserde surface 10, la nitruration, les revêtements et le revêtement laserconventionnel 11,12,13,14,15,16, ont également été employées pour améliorer la dureté de surface et la résistance à l’usure. Cependant, les traitements à base de diffusion produisent généralement des couches fines et modifiées avec une capacité portante limitée, tandis que les revêtements à liaison mécanique peuvent être sensibles à la fissuration ou à la délamination sous de fortes contraintes de contact. De plus, de nombreuses études de traitement laser rapportent une amélioration des performances de dureté ou d’usure sans fournir de directives procédurales détaillées reliant les paramètres laser à la rétention du renforcement, à l’évolution de phase et à la réponse tribologique. Ces limitations restreignent son utilisation dans des composants soumis à une friction sévère, à des charges de contact répétitives ou à des environnementsabrasifs 17.

Le LMD offre des avantages par rapport aux systèmes à lit à poudre, tels que la flexibilité dans la composition des matières premières, l’ajout localisé de renforts et le contrôle en temps réel de l’entrée d’énergie, ce qui en fait un modèle idéal pour créer des surfaces et des composites à matrice métalliquemodifiées fonctionnellement 18,19,20,21,22,23. La figure 1 illustre un aperçu du procédé de dépôt de métal au laser (LMD) montrant la livraison de poudre coaxiale, la formation de bassins de fonte, la zone de revêtement, la zone de fusion et la zone affectée par la chaleur avec 50 % de pistes chevauchantes. Le protocole présenté ici comble cette lacune en fournissant une méthode reproductible pour fabriquer des composites à matrice de titane modifiés en utilisant le dépôt laser de métaux et en corrélant systématiquement l’apport d’énergie laser avec le développement microstructural et le comportement d’usure. Le flux de travail intègre la préparation de la poudre, le dépôt au laser, la caractérisation microstructurale, les tests de dureté et l’évaluation tribologique. En contrôlant la puissance du laser pendant le dépôt, la méthode permet d’ajuster la dynamique des pools de fusion, la dilution, la décomposition du renforcement et la formation de phase in situ, qui influencent collectivement la dureté et la performance d’usure. La figure 2 illustre les mécanismes d’usure dominants typiquement observés dans le monolithiqueTI 6Al4V, fournissant un contexte pour évaluer les systèmes renforcés.

Les stratégies de renforcement modifiées ont montré des promesses pour améliorer les propriétés mécaniques et tribologiques des alliages de titane en combinant plusieurs phases céramiques23, 24, 25. Dans ce protocole, le carbure de bore (B₄C) et le nitrure de bore (BN) sont incorporés comme renforcements lors du dépôt de métaux au laser. Le carbure de bore offre une grande dureté intrinsèque et favorise la formation in situ de carbure de titane (TiC) lors du traitement laser, tandis que le nitrure de bore contribue à la formation du nitrure de titane (TiN) et peut provoquer des effets de lubrification solide lors du glissement 26,27,28. Comparé aux revêtements à nitrure et conventionnels, l’approche actuelle basée sur le laser produit une couche renforcée liée métallurgiquement plutôt qu’un film de surface à diffusion limitée ou mécaniquement adhérant. Contrairement aux procédés traditionnels de revêtement, l’incorporation du renforcement et la formation de phase se produisent in situ. et peuvent être contrôlés directement en ajustant la puissance du laser, permettant une évaluation systématique de l’évolution microstructurale et de la réponse tribologique28,29. La sélection de puissance du laser est particulièrement critique, car elle régit la température du bassin de fusion, la dissolution du renforcement, la formation de porosité et le développement des contraintesrésiduelles 30,31. L’introduction simultanée de ces renforts permet un renforcement combiné et modification par friction au sein de la couche compositedéposée 32,33,34.

L’objectif global de ce protocole est de permettre aux chercheurs et à l’industrie de fabriquer des composites modifiés en matriceTI 6Al4V en utilisant le dépôt de métaux laser et d’évaluer quantitativement comment les variations contrôlées de puissance laser influencent la microstructure, la dureté et le comportement d’usure. Cette méthode convient aux chercheurs cherchant à améliorer les performances de surface des alliages de titane pour les composants aérospatiaux, les implants biomédicaux et les systèmes de glissement à haute charge nécessitant une dureté et une résistance à l’usure accrues.

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Protocole

1. Préparation des matériaux (Table des matériaux)

  1. Préparez les substrats TI6Al4V
    1. Coupez les plaques TI6Al4V aux dimensions de 102 mm × 102 mm × 7 mm à l’aide d’une machine abrasive de précision.
    2. Meuler les surfaces du substrat séquentiellement à l’aide de papiers en carbure de silicium (SiC) de grains 240, 400, 600 et 800 sous l’eau courante pour enlever les oxydes et les marques d’usinage.
    3. Sablez les surfaces à l’aide de particules d’alumine de 120 μm à 0,4 MPa pendant 60 s pour augmenter la rugosité de la surface.
    4. Nettoyez les substrats à l’acétone pendant 10 minutes à l’aide d’une agitation ultrasonique.
    5. Séchez les substrats à l’air comprimé.
    6. Conservez les substrats nettoyés dans un dessiccateur jusqu’au dépôt.
  2. Préparer une poudre composite hybride (stratégie d’alimentation en trois poudres)
    1. Peser gaz de la poudre atomiséeTI 6Al4V (15–53 μm), de la poudre de carbure de bore (B₄C) (5–20 μm) et de la poudre hexagonale de nitrure de bore (BN) (1–10 μm) selon la fraction de poids désirée.
    2. Fixez un système d’alimentation à troisième trémie.
    3. Chargez la poudre composite mélangée dans un système d’alimentation à trois trémies.
    4. Réglez le débit total d’alimentation en poudre à 10 g/min pour le dépôt.

2. Fabriquer un composite par dépôt laser de métaux

ATTENTION : Le dépôt laser de métaux utilise des rayonnements laser de haute puissance et du métal en fusion. Les opérateurs doivent porter des lunettes de sécurité laser et des vêtements de protection. Faites fonctionner le système dans un environnement contrôlé avec une ventilation adéquate.

  1. Configurez le système de dépôt de métaux au laser
    1. Utilisez un système de dépôt de métal laser (LMD) équipé d’un laser à fibre haute puissance et d’une buse coaxiale de délivrance de poudre.
    2. Montez solidement lesubstrat TI 6Al4V sur la plateforme de construction.
    3. Établissez un blindage à l’argon à 15 L/min pour éviter l’oxydation lors du traitement.
    4. Réglez le diamètre du point laser à 2,5 mm.
    5. Réglez la vitesse de balayage à 1,0 m/min.
  2. Couche composite de dépôt
    1. Réglez la puissance du laser à 1400 W.
    2. Livrez la poudre composite à un taux de 10 g/min via trois alimentateurs coaxiaux à trémie.
    3. Appliquez une couche de gainage avec un chevauchement de 50 % entre les pistes.
    4. Maintenir une distance de sécurité constante et un écoulement constant de poudre tout au long du dépôt.
    5. Laissez les échantillons déposés refroidir naturellement à température ambiante sous un blindage continu à l’argon.

3. Préparer des échantillons métallographiques

ATTENTION : L’acide fluorhydrique (HF) est hautement corrosif et toxique, et tous les déchets contenant du HF doivent être neutralisés et éliminés conformément aux protocoles institutionnels de sécurité des produits chimiques dangereux.

  1. Effectuez toutes les procédures de gravure à l’intérieur d’une hotte chimique certifiée.
    1. Portez des gants résistants à l’acide, une visière et une blouse de laboratoire lors de la manipulation.
    2. Immergez l’échantillon poli dans le réactif pendant 10 à 15 secondes.
    3. Rincez immédiatement avec de l’eau distillée.
    4. Sécher avec de l’air chaud.
  2. Échantillons de section et de montage
    1. Sectionner les échantillons fabriqués perpendiculairement à la direction du revêtement à l’aide d’une fraise de précision.
    2. Montez les sections dans une résine de montage conductrice.
  3. Échantillons de meulage et de polissage
    1. Meuler les échantillons montés séquentiellement avec des papiers SiC de grains 240, 400, 600, 800 et 1200.
    2. Polir les échantillons à l’aide de suspensions diamantées de 6 μm, 3 μm et 1 μm.
    3. Rincez les échantillons polis avec de l’éthanol.
    4. Séchez les échantillons à l’air chaud.
  4. Échantillons de gravure
    1. Préparez le réactif de Kroll en mélangeant 2 mL d’acide fluorhydrique, 6 mL d’acide nitrique et 92 mL d’eau distillée.

4. Effectuer la caractérisation microstructurale et de phase

  1. Réaliser une microscopie optique.
    1. Examinez les échantillons gravés à l’aide d’un microscope optique.
    2. Identifiez la zone de revêtement, la zone de fusion et la zone affectée par la chaleur.
  2. Effectuer la microscopie électronique à balayage (MEB)
    1. Faites fonctionner le microscope électronique à balayage à une tension accélérée de 15 à 20 kV.
    2. Analyser la distribution des renforts, les liaisons interfaciales et les caractéristiques microstructurales.
  3. Diffraction des rayons X par conduite (XRD)
    1. Effectuer la XRD avec le rayonnement Cu-Kα (λ = 1,5406 Å).
    2. Balayez sur une plage de 2θ de 20°–90° avec une taille de pas de 0,02°.
    3. Identifier les phases à l’aide de bases de données standard de diffraction.

5. Mesurer la microdureté

  1. Calibrez le testeur de microdureté Vickers avant le test.
  2. Effectuez des essais de dureté Vickers avec une charge de 500 g appliquée pendant 15 s. Mesurez à cinq points équidistants sur la section transversale du revêtement.
  3. Effectuez au moins cinq creux le long de la ligne centrale du revêtement.
  4. Maintenir un espacement minimum de trois fois la diagonale d’indentation entre les indentations adjacentes.
  5. Calculez et rapportez la valeur moyenne de dureté.

6. Effectuer des tests d’usure à coulisse à sec

  1. Utilisez un tribomètre à boule sur disque alternatif.
  2. Choisissez un corps de comptage en carbure de tungstène de 6 mm de diamètre.
  3. Appliquez une charge normale de 15 N.
  4. Réglez la vitesse de glissade à 0,1 m/s.
  5. Maintenez un rayon de piste d’usure de 5 mm.
  6. Effectuer l’essai sur une distance totale de glissée de 1000 m dans des conditions sèches à température ambiante.
  7. Enregistrez en continu le coefficient de friction pendant les essais.
  8. Mesurez les dimensions d’usure des pistes à l’aide de la méthode SEM et de la profilométrie de surface.
  9. Calculez le volume d’usure et le taux d’usure à l’aide de relations géométriques.

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Résultats

Caractérisation microstructurale
Le dépôt de métal laser a produit des couches de revêtement continues métallurgiquement liées aux substrats TI6Al4V à 1400 W et 2000 W. La Figure 3 montre une micrographie SEM représentative du composite hybrideTI 6Al 4V+ B₄C + BN fabriqué à 2000 W. Des zones distinctes de revêtement, de fusion et de chaleur (HAZ) ont été observées. Le HAZ présentait des structur...

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Discussion

Ce protocole démontre l’influence de la puissance laser sur la microstructure, la formation de phase, la dureté et la performance d’usure dans les composites modifiésTI 6Al 4V renforcés avec du carbure de bore et du nitrure de bore. L’échantillon fabriqué à 1400 W présentait une dureté moyenne de 572,0 ± SDHV 0,5 (n = 5), contre 538,2 ± SD HV0,5 (n = 5) à 2000 W, correspondant à une augmentation d’environ 6 % de la dureté à la puissance laser p...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts concernant ce travail et n’ont utilisé aucun outil d’écriture par IA.

Remerciements

Les auteurs reconnaissent chaleureusement le soutien de l’Université de technologie de Durban.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Alliage Ti-6Al-4V (Substrat)Ti&ndash ; 6 % Al et ndash ; 4 % en poids VPlaque (102 et multipliés par 102 et multipliés par 7 mm)Substrat de base pour le dépôt de métaux laser
Ti-6Al-4V PoudreTi&ndash atomisé au gaz ; 6Al&ndash ; 4V15&ndash ; 53 & micro ; Poudre de mMatériau matriciel pour revêtement composite
Carbe de bore (B4C)Céramique B4C5&ndash ; 20 & micro ; Poudre de mRenforcement dur principal ; Améliore la dureté et la résistance à l’usure
Nitrure de bore hexagonal (BN)Céramique h-BN1&ndash ; 10 & micro ; Poudre de mRenforcement secondaire ; Raffinage des grains et réduction de l’usure
Mélange en poudre composite3,8 % Ti-6Al-4V + 0,1 % en poids B4C + 0,1 % en poids BNPoudre homogène mélangéeMatière première pour composite hybride à matrice TI6Al4V
Blindage / Gaz porteurArgon (pureté à 99,99 %)GazPrévient l’oxydation lors du dépôt laser
Matériau contre-corpsCarbure de tungstène (WC)Balle de 6 mm de diamètreContre-face pour les tests d’usure à coulisse sèche
Médias abrasifsCarbure de silicium (SiC)240&ndash ; Papiers de grain 1200Meulage et préparation de surface
Médias de sablageAlumine (Al2O3)~120 & micro ; m particulesRugueux de surface avant le dépôt
Agent de contrôle de processusÉthanolLiquideEmpêche l’agglomération de la poudre lors du broyage des billes
GravureKroll' s Réactif (HF + HNO3 + H2O)Solution chimiqueRévèle une microstructure pour l’analyse métallographique

Références

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Mots-clés

Composites matrice de titanerenfort c ramiquecarbure de borenitrure de bored p t par nergie dirig eessai de microduretr sistance l usurevolution microstructurale
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