Durabilité de l'aciers inoxydables obtenu par fabrication additive en situation de couplage Fatigue-Hydrogène

Durability of stainless steels obtained by additive manufacturing under Fatigue-Hydrogen coupling

• Auteur / Autrice : Rahul Subramanian girija
• Direction : Nicolas Saintier, Gilbert Hénaff, Mohamed El May
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Soutenance le 02/02/2024
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux - Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Paris, ENSAM
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Christien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Saintier, Gilbert Hénaff, Mohamed El May, Aijun Huang, Laurent Briottet, Abdelali Oudriss, Isabelle Aubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aijun Huang, Laurent Briottet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dislocations dans les métaux

Prototypage rapide

Dissertation universitaire

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fatigue

Fragilisation par hydrogène

Fabrication additive

Dislocations

Fatigue

Hydrogen Embrittlement

Additive Manufacturing

Dislocations

Résumé

Le processus de Selective Laser Melting (SLM) offre la possibilité de fabriquer des pièces complexes pouvant trouver des applications dans les systèmes à base d'hydrogène, en raison de leur meilleur compromis résistance-ductilité et de leur phase austénitique inhérente résistante à la fragilisation par l'hydrogène (FPH). Il est crucial de connaître la résistance à la FPH de cette nouvelle classe de matériaux SLM. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'évaluer et de comprendre la susceptibilité des aciers inoxydables fabriqués par SLM à la FPH dans des conditions d'essais mécaniques couplés. Dans ce but, trois nuances d'acier inoxydable fabriqué par SLM sont choisies : 316L et 304L austénitiques et 17-4PH martensitique. Des traitements thermiques sont effectués pour modifier la sous-structure des dislocations et l'impact sur la diffusion de l'hydrogène est étudié à la fois dans des conditions de chargement électrochimiques et dans des conditions de chargement d'hydrogène gazeux à haute pression. Une diffusion plus lente de l'hydrogène dans la microstructure riche en dislocations et une localisation de l'hydrogène à moins de 100 µm de la surface de chargement ont été observées. Le rôle dominant des défauts empêche l'évaluation de l'impact de l'hydrogène sur la ductilité et l'amorçage des fissures de fatigue dans les échantillons SLM-316L fabriqués par une stratégie laser "sans rotation" et SLM-304L. Les essais mécaniques électrochimiques insitu affectent la résistance et la ductilité des matériaux choisis plus que la condition de gaz hydrogène à haute pression. L'interaction H-dislocation varie en fonction de la sévérité de la chargement H et de la nature des dislocations. Des phénomènes complexes sont mis en évidence lors d'essais de fatigue électrochimique insitu sur le SLM-316L, et la perte observée des propriétés de fatigue est expliquée par des preuves complémentaires. Les taux de propagation des fissures de fatigue augmentent en présence d'hydrogène, ce qui est confirmé par les observations de l'espacement des stries de fatigue, indiquant que les aciers inoxydables austénitiques fabriqués par SLM sont sensibles à l'HE dans des conditions de charge H défavorables. Une HE sévère est observée dans le SLM-17-4PH soumis à un traitement thermique H900 à la fois en tension et en fatigue.

Selective Laser Melting (SLM) process has the potential to fabricate complex parts which can find applications in hydrogen-based systems, due to their improved strength-ductility trade-off and inherent austenite phase traditionally resistant to Hydrogen Embrittlement (HE). Knowledge on the HE resistance of these new class of SLM materials is crucial. In this context, the goal of this work is to experimentally assess and understand the susceptibility of additive manufactured stainless steels (SS) to HE under coupled mechanical testing conditions.For this purpose, three grades of SLM fabricated SS are chosen : austenitic 316L and 304L and martensitic 17-4PH. Heat treatments are performed to modify the dislocation sub-structure and the consequent impact on hydrogen diffusion is studied under both electrochemical and high-pressure hydrogen gas charging conditions. Slower diffusion of hydrogen in the dislocation-rich microstructure and a localisation of hydrogen within 100 µm from the charging surface were observed. The dominant role of defects impedes the evaluation of the impact of hydrogen on both ductility and fatigue crack initiation in SLM-316L samples fabricated through a ‘No Rotation’ laser strategy and SLM-304L.Insitu electrochemical mechanical tests affect the strength and ductility of the chosen materials more than the high-pressure hydrogen gas condition. H-dislocation interaction varies depending on the severity of H-charging and the nature of the dislocations. Complex phenomena are evidenced during insitu electrochemical fatigue tests on SLM-316L, and the observed loss of fatigue properties are explained through complementary evidence. Fatigue crack growth rates increase in the presence of hydrogen supported through observations of fatigue striation spacing, indicating that SLM-fabricated austenitic stainless steels are susceptible to HE under adverse H-charging conditions. Severe HE is observed in SLM-17-4PH subjected to H900 heat treatment both in tension and fatigue.