Microstructure, des propriétés mécaniques et tribologiques de l'acier H13 traité par fusion laser sur lit de poudre avec contrôle thermique in-situ

La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) offre un fort potentiel pour la fabrication de structures complexes à haute précision, notamment dans l’industrie des moules et matrices. L’acier AISI H13, couramment utilisé dans ce domaine pour sa résistance à l’usure et à la dégradation thermique, présente cependant une susceptibilité à la fissuration en raison des contraintes résiduelles élevées lors du processus LPBF. Le préchauffage du substrat est une stratégie pour réduire ces contraintes et limiter la fissuration, mais il influence également la microstructure et les propriétés mécaniques de l’acier.Cette étude analyse l'impact de la température de préchauffage sur l’évolution microstructurale et les performances mécaniques de l’acier H13 fabriqué par LPBF. Des échantillons avec une densité relative supérieure à 99,9 % ont été fabriqués à différentes températures de préchauffage. L’analyse microstructurale a montré que l'augmentation de la température de préchauffage de 200°C à 500°C a réduit la teneur en austénite résiduelle (γR). Dans l’échantillon préchauffé à 200°C (200PH), l’austénite intracellulaire a été entièrement transformée en martensite, tandis que dans l’échantillon à 500°C (500PH), l’austénite a partiellement été transformée en bainite avant de subir une transformation martensitique.L’augmentation de la température de préchauffage a conduit à une amélioration de la dureté et de la résistance à l’usure. Sous faibles charges appliquées, cette amélioration a été attribuée à la dureté élevée et à la formation d’une couche tribo-oxydée, tandis que sous charges élevées, l’écrouissage dans la couche de déformation est devenu dominant.Les limites d’élasticité des échantillons 200PH et 500PH étaient respectivement de 1065,36 ± 78,76 MPa et 1451,13 ± 5,02 MPa, 500PH affichant une résistance supérieure à celle des aciers H13 produits par LPBF rapportés précédemment. L’analyse de l’écrouissage, les essais de charge-décharge-recharge (LUR) et les études de propagation des fissures ont révélé des mécanismes distincts de renforcement et d’endommagement. Dans 200PH, γR s’est déformée plastiquement sous la contrainte de la martensite, entraînant un fort renforcement par contrainte arrière, suivi d’une déformation synergique de γR et de la martensite jusqu’à l’amorçage des fissures. Dans 500PH, γR s’est déformée sous la contrainte conjointe de la bainite et de la martensite, présentant un fort coefficient d’écrouissage. Avec la progression de la déformation, γR et la bainite ont subi une co-déformation avec un renforcement par contrainte arrière réduit, conduisant à l’initiation des fissures aux interfaces martensite-bainite..Afin d’améliorer les propriétés mécaniques, des traitements de vieillissement direct ont été appliqués. L’échantillon revenu à 500°C pendant 8 h (H13-500/8h) a atteint une dureté de 678,95 HV1,0 tout en conservant sa structure cellulaire. Après un revenu à 550°C pendant 4 h (H13-550/4h), la dureté a augmenté à 664,77 HV1,0 avec dissolution de la structure cellulaire. H13-550/4h a montré une meilleure résistance à l’usure que H13-500/8h et surpassé l’acier H13 conventionnel.Ces résultats permettent d’optimiser les paramètres du procédé LPBF pour l’acier H13, et d’ajuster les stratégies de traitement thermique pour améliorer ses propriétés mécaniques et faciliter son application dans l’industrie des moules et matrices.