Étude de revêtements durs pour la tenue à l’usure par rechargement laser dans la robinetterie nucléaire sur des fonctions de guidage et d’étanchéité

Development of a new hard coating by laser cladding for wear resistance in the operating conditions of pressurized water reactor (PWR)

• Auteur / Autrice : Emna Abouda
• Direction : Pascal Aubry, Patrice Peyre, Morgan Dal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 16/02/2018
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux [Paris] / PIMM
• Jury : Président / Présidente : Pierre Sallamand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Aubry, Patrice Peyre, Morgan Dal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Damien Fabrègue, Caroline Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Revêtement dur

Mots clés libres

Revêtement dur

Microstructure

Comportement tribologique

Revêtement par projection laser

Simulation numérique

Caractérisation mécanique

Iron Base hardfacing alloy

Microstructure

Wear behavior

Laser cladding

Mechanical properties

Simulation

Résumé

Le remplacement des alliages durs à base cobalt par des alliages à base fer suscite un intérêt croissant pour la protection anti-usure des pièces métalliques fonctionnant dans le circuit primaire d’une centrale nucléaire. Dans le cadre de cette thèse, une étude métallurgique détaillée a été effectuée sur des dépôts épais en Norem 02™ élaborés par le procédé de projection laser. Un affinement significatif de la microstructure du Norem 02™ a été obtenu après optimisation des paramètres du procédé (puissance laser, vitesse de balayage et débit de poudre), par rapport à un procédé concurrent par Plasma à Arc Transféré. Les essais tribologiques montrent que l’amélioration de la microstructure n’empêche cependant pas l’apparition du grippage à haute température de fonctionnement. La deuxième partie de cette étude a été consacrée à l’amélioration du Norem 02™ avec ajout de différents éléments chimiques. Le choix de ces ajouts adéquats a été validé grâce aux tests de frottement réalisés sur des échantillons en Norem 02™ modifié, sous haute contrainte mécanique et à haute température. A partir d’une dizaine d’éléments d’ajouts testés, une transformation complète de la microstructure du Norem 02™ a pu être obtenue.Cette transformation métallurgique a amélioré son comportement tribologique avec une réduction significative du coefficient de frottement à chaud. L’origine de cette amélioration du comportement mécanique du Norem modifié a été étudiée et expliquée par différentes analyses microstructurales (MO, MEB, EDS, EBSD) ainsi que des essais de traction sur des éprouvettes extraites des revêtements épais.

This study aims to substitute the cobalt-based hardfacing alloys with iron-based hardfacing alloys to protect mechanical parts operating in the primary circuit of a pressurized water reactor (PWR). Firstly, a detailed metallurgical study was carried out to characterize a thick deposit on Norem 02™ produced by the laser process (Direct Metal Deposition, DMD). Compared with a classical PTA process, a microstructure refinement was achieved after an optimization of process parameters (laser power, scanning speed and powder flow-rate). However, wear tests show that the improvement of the microstructure does not prevent the occurrence of galling at high temperature. The second part of this study is dedicated to Norem 02™ improvement with the addition of various chemical elements. The appropriate additions to this application have been validated by wear tests under high applied stress and at elevated temperature. From a selection of potential additional elements incorporated to Norem 02 ™, an adequate input was found to provide a complete transformation of the initial Norem 02™’s microstructure. This metallurgical transformation was found to improve its tribological behavior with a large reduction ofhigh temperature friction coefficient. Last, the origin of the mechanical behavior improvement of modified Norem 02 was studied and explained by microstructural analysis (MO, MEB, EDS, EBSD) and tensile tests on specimens extracted from thick coatings.