Caractérisation des propriétés microstructurelles, magnétiques et thermiques du Fe–45Ni fabriqué par fusion sélective laser sur lit de poudre

Un métal qui garde sa forme et son magnétisme

Les satellites modernes, les télescopes et les instruments de précision nécessitent des pièces métalliques qui changent très peu de taille avec la température tout en répondant fortement aux champs magnétiques. Cette étude explore une recette prometteuse pour de telles pièces : un alliage fer–nickel contenant 45 % de nickel (Fe–45Ni), fabriqué non pas par coulée et usinage traditionnels, mais par impression 3D au laser. Le travail montre comment régler les paramètres d’impression pour obtenir un alliage dense, fortement magnétique et extrêmement stable à la chaleur.

Pourquoi un alliage imprimé en 3D est important

Les alliages fer–nickel sont déjà utilisés dans des dispositifs nécessitant un magnétisme fiable et une très faible dilatation thermique – des horloges de précision aux structures spatiales. Mais les méthodes de fabrication conventionnelles peinent à créer des formes complexes sans fissures, gaspillage de matière et usinage coûteux. La fusion sélective laser sur lit de poudre, un procédé d’impression 3D métallique, permet de fabriquer des formes complexes directement à partir de poudre. Le problème est que le laser intense et rapide crée des changements de température abrupts qui peuvent laisser des pores, des fissures et des contraintes résiduelles. Les auteurs ont cherché à savoir si le Fe–45Ni pouvait être imprimé de manière à éviter ces écueils tout en préservant sa combinaison particulière de force magnétique et de stabilité dimensionnelle.

Comment le métal est imprimé et examiné

Les chercheurs ont commencé avec une poudre sphérique de Fe–45Ni produite par atomisation gazeuse, choisie pour sa bonne fluidité dans l’imprimante. Ils ont utilisé une machine commerciale de fusion sur lit de poudre pour fabriquer de petits cubes de 7×7×7 mm selon un motif de balayage en damier, en faisant varier la puissance du laser et la vitesse de balayage tout en gardant l’épaisseur de couche et l’espacement des passes constants. Après impression, ils ont découpé et poli les cubes et les ont examinés au microscope optique et électronique pour mesurer la densité et localiser pores et fissures. Ils ont également utilisé la diffraction des rayons X pour identifier la structure cristalline, et des techniques de microscopie plus avancées pour cartographier la forme et l’orientation des grains. Enfin, ils ont testé le comportement magnétique selon différentes directions et mesuré l’expansion de l’alliage lors d’un chauffage de la température ambiante jusqu’à 500 °C.

Trouver la zone optimale des paramètres d’impression

L’étude a montré que trop peu ou trop d’énergie laser peut détériorer la qualité de l’alliage. À faible puissance laser ou à très grande vitesse de balayage, les couches métalliques ne fusionnent pas complètement, produisant des vides irréguliers et parfois des fissures à chaud. À très haute énergie, des gaz piégés dans la poudre initiale ou créés lors de la fusion se retrouvent scellés à l’intérieur sous forme de pores sphériques. En équilibrant soigneusement la puissance laser et la vitesse de balayage, l’équipe a obtenu une très haute densité relative d’environ 99,3 % à 85 W et 300 mm/s, ne laissant que des pores fins et dispersés. Dans ces meilleures conditions, la structure interne était principalement composée de grains colonnaires, étroitement empaquetés, croissant selon la direction de fabrication, entrecoupés de quelques grains plus petits et plus cubiques. Ce motif texturé des grains, déterminé par l’écoulement de chaleur lors de la solidification, s’est avéré important pour la réponse magnétique de l’alliage.

Force magnétique et stabilité thermique

Lorsque l’équipe a mesuré le magnétisme selon et perpendiculairement à la direction de fabrication, ils ont constaté que le Fe–45Ni imprimé se comportait comme un aimant doux dans les deux directions – il se magnétise facilement et perd la majeure partie de son magnétisme lorsque le champ est supprimé. Cependant, la réponse n’était pas identique dans toutes les directions. Le long de la direction de fabrication, le matériau présentait une perméabilité plus élevée (il se magnétisait plus aisément) et une coercivité plus faible (il fallait un champ moindre pour inverser la magnétisation). À travers la direction de fabrication, un champ plus important était nécessaire, probablement parce que les pores, les joints de grains et les contraintes résiduelles entravent le mouvement des parois de domaine magnétiques. Malgré ces imperfections, la magnétisation maximale de l’alliage était élevée, aidée par sa teneur relativement importante en fer. Les essais thermiques ont montré que, entre la température ambiante et environ 400 °C, l’expansion de l’alliage restait très faible et quasiment identique dans différentes directions, avec un coefficient d’environ 6×10⁻⁶ par degré Celsius – proche du comportement dit Invar. Ce n’est qu’au-delà d’environ 415 °C, près de la température de Curie où le magnétisme disparaît, que l’alliage a commencé à se dilater plus rapidement.

Ce que cela signifie pour les applications réelles

En termes simples, les auteurs montrent que le Fe–45Ni peut être imprimé en 3D en pièces denses et sans fissure qui conservent pratiquement leurs dimensions lors des cycles de chauffage et de refroidissement, tout en restant des aimants puissants et faciles à contrôler. En ajustant les paramètres laser appropriés, ils minimisent les défauts et façonnent la microstructure interne de sorte que la direction de construction devienne la voie la plus favorable à la magnétisation. Ces caractéristiques font de l’alliage imprimé un candidat de choix pour des composants de précision dans l’aérospatiale et d’autres domaines technologiques où la performance magnétique et la stabilité dimensionnelle sont critiques.

Citation: Sim, N., Jung, H.Y. & Lee, KA. Characterization of the microstructural, magnetic, and thermal properties of Fe–45Ni fabricated by laser powder bed fusion. Sci Rep 16, 8049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37507-w

Mots-clés: alliage Fe–Ni, fusion sélective laser sur lit de poudre, matériaux magnétiques doux, faible dilatation thermique, fabrication additive