2026/01/05
H13 tool steel-copper composite fabricated by laser powder bed fusion and melt infiltration for high thermal conductivity tooling applications
Osman, M.; Wanjara, P.; Gholipour, J.; Bernier, F.; Molavi-Zarandi, M.; Brochu, M. (2025). H13 tool steel-copper composite fabricated by laser powder bed fusion and melt infiltration for high thermal conductivity tooling applications. Materials Today Communications, vol. 49, 2025, 114221.
Un procédé de fabrication en deux étapes a été développé avec succès pour produire un composite à phases interpénétrées (CPI) en acier pour outils/cuivre (H13/Cu) destiné à améliorer la gestion thermique dans les applications de moules et d’outillages. Des structures lattices fonctionnellement graduées (FGLS) en H13 ont d’abord été fabriquées par fabrication additive (FA) par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). L’analyse par diffraction des rayons X (DRX) des FGLS en H13 à l’état brut de fabrication a révélé une microstructure majoritairement constituée de martensite en lattes, avec 16 % d’austénite retenue (AR). Cette microstructure s’est transformée en une phase entièrement martensitique revenue à la suite d’un traitement thermique comprenant une trempe à l’air à 1020 °C, suivie d’un revenu à 500 °C pendant 2 h (QT500). L’infiltration subséquente du réseau H13 par le cuivre, suivie du traitement thermique QT500, a permis d’obtenir un CPI H13/Cu présentant une densité relative de 99,8 %. L’analyse de l’interface H13/Cu a mis en évidence une mouillabilité complète, une quantité minimale de précipités α(Fe,Cr) dans la matrice de Cu (< 2 %), ainsi qu’une pénétration du Cu dans les entretoises en H13 jusqu’à une profondeur de 47 ± 7 µm. La microstructure et la microdureté du H13 après infiltration du Cu suivie du traitement QT500 sont demeurées similaires à celles de l’échantillon de référence QT500. La conductivité thermique effective (ke) du composite s’est révélée hautement modulable par l’ajustement de la densité du réseau en H13, avec des valeurs mesurées de ke allant de 145,2 ± 0,7 W·m⁻¹·K⁻¹ à 34,1 ± 0,1 W·m⁻¹·K⁻¹ pour des fractions volumiques de H13 comprises entre 40 et 90 %, respectivement. Ces résultats concordent étroitement avec les prédictions issues de l’approximation de Torquato et de la modélisation par éléments finis, confirmant le potentiel de personnalisation des propriétés thermiques pour des applications d’outillage spécifiques.