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Thèse soutenue

Elaboration de revêtements sur acier inoxydable : simulation de la fusion par l'irradiation laser : caractérisation structurale, mécanique et tribologique

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Auteur / Autrice : Ludovic Avril
Direction : Jean-Jacques Hantzepergue
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Science des matériaux et génie des procédés
Date : Soutenance en 2003
Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Résumé

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L'irradiation par un laser Nd-YAG pulsé est mise en oeuvre afin d'élaborer des revêtements épais sur acier inoxydable X30Cr13, par fusion superficielle avec apport de bore ou nitrure de bore hexagonal (h-BN) : alliages borurés polyphasés ou composites métal-céramique. Les coupes métallographiques permettent de déterminer l'épaisseur de chaque revêtement (zone fondue) et révèlent des microstructures de solidification caractéristiques : front plan, cellulaire et dendritique. Les caractéristiques optiques du faisceau laser sont déterminées : divergence, distance focale, rayon du spot et distribution de la puissance dans le plan focal. La simulation des effets thermiques est fondée sur la modélisation par différences finies de la distribution spatio-temporelle de la température, dans l'acier irradié par balayage du faisceau pulsé. Par ce moyen, la prévision de l'épaisseur atteinte par la zone fondue et la description de l'avancement du front de fusion durant l'irradiation deviennent possibles, d'où une meilleure description des conditions d'incorporation de matière, selon un processus de fusions et solidifications successives. Les propriétés mécaniques, module d'élasticité et dureté, des divers revêtements sont déterminées à partir d'essais de nanoindentation. Dans des conditions d'irradiation optimales, la dureté du composite atteint 10 GPa et celle de l'alliage boruré, 14 GPa, alors que l'acier non traité a une dureté de 4 GPa. L'analyse systématique du comportement tribologique des revêtements est effectuée en configuration bille-sur-disque, à 25 ʿC sous différentes charges (1 à 10 N), puis à 300 et 500 ʿC sous 2 N. A température ambiante, le glissement à sec sur bille en rubis de ces deux types de revêtements est caractérisé par un coefficient de frottement réduit et un faible taux d'usure volumique, par rapport à ceux de l'acier non traité, révélant une résistance nettement renforcée envers l'usure adhésive et/ou abrasive. A partir de 300 ʿC, en revanche, leur tenue au frottement se dégrade, malgré l'abaissement sensible du coefficient de frottement