La fusion laser sur lit de poudre, une technique d’impression 3D, offre un potentiel dans l’industrie manufacturière, en particulier lors de la fabrication d’alliages à mémoire de forme nickel-titane avec des géométries complexes. Bien que cette technique de fabrication soit attrayante pour les applications dans les domaines biomédical et aérospatial, elle a rarement présenté la superélasticité requise pour des applications spécifiques utilisant des alliages à mémoire de forme nickel-titane. Les défauts générés et les modifications imposées au matériau au cours du processus d’impression 3D ont empêché la superélasticité d’apparaître dans le nickel-titane imprimé en 3D.
Des chercheurs de la Texas A&M University ont récemment présenté une superélasticité à la traction supérieure en fabriquant un alliage à mémoire de forme par fusion laser sur lit de poudre, doublant presque la superélasticité maximale rapportée dans la littérature pour l’impression 3D.
Cette étude a été publiée récemment dans le vol. 229 de la Acta Materialia journal.
Les alliages à mémoire de forme nickel-titane ont diverses applications en raison de leur capacité à reprendre leur forme d’origine lors du chauffage ou lors de la suppression de la contrainte appliquée. Par conséquent, ils peuvent être utilisés dans les domaines biomédicaux et aérospatiaux pour les stents, les implants, les dispositifs chirurgicaux et les ailes d’avions. Cependant, le développement et la fabrication appropriée de ces matériaux nécessitent des recherches approfondies pour caractériser les propriétés fonctionnelles et examiner la microstructure.
« Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux intelligents qui peuvent se souvenir de leurs formes à haute température », a déclaré le Dr Lei Xue, ancien doctorant au Département de science et génie des matériaux et premier auteur de la publication. « Bien qu’ils puissent être utilisés de nombreuses manières, la fabrication d’alliages à mémoire de forme dans des formes complexes nécessite un réglage fin pour garantir que le matériau présente les propriétés souhaitées. »
La fusion laser sur lit de poudre est une technique de fabrication additive qui présente un moyen de produire des alliages à mémoire de forme nickel-titane de manière efficace et efficiente, offrant une voie vers une fabrication ou un prototypage rapide. Cette technique, similaire à l’impression 3D polymère, utilise un laser pour fusionner couche par couche des poudres de métal ou d’alliage. Le processus couche par couche est bénéfique car il permet de créer des pièces aux géométries complexes qui seraient impossibles dans la fabrication traditionnelle.
« À l’aide d’une imprimante 3D, nous étalons la poudre d’alliage sur un substrat, puis utilisons le laser pour faire fondre la poudre, formant une couche complète », a déclaré Xue. « Nous répétons cette superposition, en scannant les mêmes motifs ou des motifs différents jusqu’à ce que la structure souhaitée soit formée. »
Malheureusement, la plupart des matériaux nickel-titane ne peuvent pas résister au processus actuel de fusion sur lit de poudre au laser, ce qui entraîne souvent des défauts d’impression tels que la porosité, le gauchissement ou le délaminage causés par un gradient thermique important et une fragilité due à l’oxydation. De plus, le laser peut modifier la composition du matériau en raison de l’évaporation lors de l’impression.
Pour lutter contre ce problème, les chercheurs ont utilisé un cadre d’optimisation qu’ils ont créé dans une étude précédente, qui peut déterminer les paramètres de processus optimaux pour obtenir une structure sans défaut et des propriétés de matériau spécifiques.
Avec ce cadre, ainsi que le changement de composition et les paramètres de processus raffinés, les chercheurs ont fabriqué des pièces en nickel-titane qui présentaient systématiquement une superélasticité en traction à température ambiante de 6 % dans l’état tel qu’imprimé (sans traitement thermique post-fabrication). Ce niveau de superélasticité est presque le double de la quantité précédemment vue dans la littérature pour l’impression 3D.
La capacité de produire des alliages à mémoire de forme grâce à l’impression 3D avec une superélasticité accrue signifie que les matériaux sont plus capables de gérer la déformation appliquée. L’utilisation de l’impression 3D pour développer ces matériaux de qualité supérieure réduira le coût et le temps du processus de fabrication.
À l’avenir, les chercheurs espèrent que leurs découvertes conduiront à une utilisation accrue des alliages à mémoire de forme nickel-titane imprimés dans les applications biomédicales et aérospatiales.
« Cette étude peut servir de guide sur la manière d’imprimer des alliages à mémoire de forme nickel-titane avec les caractéristiques mécaniques et fonctionnelles souhaitées », a déclaré Xue. « Si nous pouvons adapter la texture cristallographique et la microstructure, il y a bien plus d’applications dans lesquelles ces alliages à mémoire de forme peuvent être utilisés. »
Cette recherche a été financée par le laboratoire de recherche de l’armée américaine, la subvention du programme de recherche sur les priorités nationales, le fonds national de recherche du Qatar et la subvention de la US National Science Foundation.
Parmi les autres contributeurs à la publication figurent le Dr Ibrahim Karaman, chef du département de science des matériaux et d’ingénierie; les professeurs de science et génie des matériaux Dr. Kadri Can Atli et Dr. Raymundo Arroyave; ancien étudiant en science et génie des matériaux, le Dr Abhinav Srivastava et étudiant actuel Nathan Hite; Wm Michael Barnes ’64 Département des systèmes industriels et professeur d’ingénierie Dr. Alaa Elwany; Chen Zhang, étudiant en systèmes industriels et en ingénierie; et les chercheurs du Laboratoire de recherche de l’armée américaine, le Dr Asher C. Leff, le Dr Adam A. Wilson et le Dr Darin J. Sharar.
L. Xue et al, fusion laser sur lit de poudre de pièces en alliage à mémoire de forme NiTi sans défaut avec une superélasticité à la traction supérieure, Acta Materialia (2022). DOI : 10.1016/j.actamat.2022.117781