Développement de matériaux multi échelles anti usure et anticorrosion pour remplacement des stellites en milieu nucléaire

Multi-Scaled Composite Coating Development for the Stellite Replacement in Nuclear Power Plant

• Auteur / Autrice : Arnaud Werry
• Direction : Armelle Vardelle, Alain Denoirjean
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 28/11/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Czerwiec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Langlade, Luca Lusvarghi, Erick Meillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Guipont, Pascal Aubry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Installations nucléaires

Tribologie (technologie)

Projection au plasma

Alliages fer-nickel

Cobalt -- Alliages

Alumine

Mots clés libres

PTA

Résumé

Le remplacement des Stellites, un superalliage base cobalt, en milieu nucléaire dans certaines parties du réacteur en milieu primaire a été étudié depuis les années soixante. Plusieurs nuances de revêtements base Fer et Nickel, sans ou avec très peu de cobalt, ont été développées dans ce sens. La quatrième génération de centrale impose également des conditions de fonctionnement très sévère pour les revêtements durs. L’idée principale de ce travail de thèse est de renforcer des nuances commerciales de superalliages base nickel avec des particules micrométriques et sub-micrométriques d’alumine par plasma d’arc transféré, Cold Spray et coprojection plasma simultanée de poudre et de suspension.Pour les dépôts PTA, l’analyse des dépôts a montré un raffinement de la microstructure mais une répartition inhomogène de l’alumine. L’ajout d’alumine n’a pas influé sur la microdureté des dépôts mais a permis d’améliorer la résistance à l’usure abrasive sous air. Les dépôts obtenus par projection plasma, en combinant projection classique de poudre et de suspension d’alumine, ont montrés un meilleur comportement tribologique sous conditions particulières. Les effets de l’ajout d’alumine dans la matrice ont été étudiés en observant la microstructure et en comparant les propriétés mécaniques des dépôts (micro dureté, et tests tribologiques représentatifs de l’application) pour différents taux de renforts (de 0 à 13% pds).

In nuclear plants, the replacement of hardfacing Stellite, a cobalt-base alloy, on parts of the piping system in connection with the reactor has been investigated since the late 60’s. Various Fe-base or Ni-base alloys, Co-free or with a low content of Co, have been developed in this aim. The 4th generation nuclear plants impose additional or more stringent requirements for hardfacing materials. The idea developed in this work is to reinforce commercial nickel base alloy with addition of micrometric and sub-micrometric alumina particles by Plasma Transferred Arc welding, Cold Spray and simultaneous conventional and suspension plasma spray.For PTA Coatings, the examination of coatings revealed a refinement of the microstructure but an inhomogeneous alumina distribution. The addition of alumina particles did not improve the micro-hardness of coatings but improve their resistance to ambient air abrasive wear.The coatings prepared by plasma spraying, combining powder of metallic matrix and suspension of ceramic particles, showed better tribological performance under particular conditions. The effect of the addition of ceramic particles in the matrix was investigated by observing the microstructure of coatings, and comparing their mechanical behavior (micro hardness and tribological tests representative of the application) for different ceramic particle contents (from 0 to 13 wt%).