Évolutions microstructurales de dépôts épais d'acier inoxydable austénitique 316L obtenus par projection dynamique par gaz froid ("cold spray") sous l'effet d'un traitement thermique ; conséquences sur les propriétés d'usage

Microstructural evolution of 316L stainless steel cold spray coatings under heat treatments; consequences on in-use properties.

• Auteur / Autrice : Laury-Hann Brassart
• Direction : Jacques Besson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Viguier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Besson, Bernard Normand, Gilles Rolland, Francesco Delloro, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Véron, Thierry Baudin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermique

Microstructure (physique)

Dépôts physiques

Mots clés libres

Microstructure

Recristallisation

Cold Spray

Traitement thermique

316L

Microstructure

Recrystallization

Cold Spray

Heat treatment

316L

Résumé

Dans les industries nucléaire et navale, à cause de sévères sollicitations en service, certains composants sont sujets à dégradation. La solution de la réparation sur site s’impose parfois comme étant la plus adaptée, notamment dans le cas de composants complexes et difficilement remplaçables. Pour ce faire, l’utilisation de la projection dynamique par gaz froid, dite « cold spray », est particulièrement prometteuse car, étant un procédé à l’état solide, elle permet d’éviter la formation d’une zone affectée thermiquement. Cependant, l’impact successif des particules projetées sur le substrat à des vitesses supersoniques engendre une forte déformation des particules et un écrouissage sévère des zones impactées. Ceci génère des dépôts à la microstructure instable à l’état brut de projection. De plus, si une forte épaisseur de dépôts est visée, l’accumulation des contraintes résiduelles peut entraîner l’amorçage de fissures au sein du dépôt ou à son interface avec le substrat. Ce travail de thèse repose sur les traitements thermiques des dépôts cold spray d’acier 316L pour l’adaptation de la microstructure du dépôt aux propriétés d’emploi recherchées. Pour ce faire, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de ces traitements, plus particulièrement aux interfaces particule-particule, sièges de l’adhésion des dépôts et zones de concentration de la déformation. La thèse est articulée en trois parties : i) l’analyse microstructurale des dépôts à l’état brut de projection, ii) la mise au point d’un traitement thermique optimal en termes de microstructure et de l’application visée et iii) l’étude de son effet sur les propriétés des dépôts. La mise au point des traitements thermiques est passée par une étude des phénomènes de restauration et de recristallisation mis en jeu notamment par la mise en lumière du chemin de la recristallisation en trois temps, débutant dans les zones des particules en première ligne d’impact durant la projection puis se propageant au cœur des particules pour finalement atteindre l’ensemble du dépôt. L’approche de ces travaux a permis de mieux comprendre la compétition existante entre les différents mécanismes activés thermiquement et a mené à la sélection d’un traitement thermique à cycle court. Ce traitement, du fait de sa haute vitesse de chauffage et son court temps de maintien, court-circuite les effets néfastes des traitements plus lents (cavitation, évolution importante de phases indésirables) et entraîne l’obtention d’une microstructure recristallisée à grains fins. Par la suite, les propriétés mécaniques et de tenue à la corrosion des dépôts ainsi traités ont été étudiées. Il a ainsi été prouvé que ce traitement permettait une restauration considérable de la ductilité et de la résistance à la rupture brutale tout en préservant la résistance à la corrosion. Une solution de réparation de composants 316L par cold spray, reproductible et présentant les propriétés d’usage suffisantes pour l’application visée, a ainsi été identifiée

In the nuclear and marine industries, some components are subjected to degradation, due to severe in-service conditions. In-site reparation appear to be a suitable solution, especially for complex components, difficult to replace. With this aim in mind, the use of cold gas dynamic spraying, known as “cold spray”, is particularly promising as it is a solid-state process and thus avoids heat-affected zone formation. Yet,successive particle impacts at supersonic velocities on the substrate during projection cause a strong deformation of the particles and severe work hardening of the impacted areas. This generates unstablemicrostructures in the as-sprayed state. In addition, if a large coating thickness is targeted, residual stresses accumulation can lead to crack initiation and propagation at particle-particle interfaces and/or at the substrate-coating interface. This thesis work is based on 316L cold sprayed coating heat treatment to adapt its microstructure as well asits in-use properties. To do so, it is necessary to better understand the mechanisms involved during these treatments, particularly at the particle-particle interfaces, as they are the main place of coating adhesion and the zones of strain concentration. The thesis is structured in three parts: i) microstructural analysis of as-sprayed coatings; ii) the development of an optimal heat treatment, in regard to microstructure and industrial application; iii) the study of its effect on the coating in-use properties. Heat treatment development involved a study of recovery and recrystallization phenomena, mainly by highlighting the three-stage recrystallization path, starting in the particles areas which are most affected by impacts during spraying, then propagating to the particles core zones and finally reaching the whole coating.This approach has led to a better understanding of the competition between the different thermally activated mechanisms and has led to the selection of a short-cycle treatment. This treatment, due to its high heating rate and short holding time, short-circuits some effects of slower treatments (as cavitation or extensive evolution of undesirable phases), resulting in a fine-grained recrystallized microstructure. Subsequently, the mechanical and corrosion properties of those heat-treated coatings were studied. It was shown that this short-cycle treatment allowed a considerable ductility restoration, while preserving corrosion resistance. A reproducible, with sufficient in-use properties, repair solution for 316L components with cold spray process has been identified.