Fonctionnalisation de surface de l’Inconel 625 élaboré par fabrication additive par fusion de lit de poudre

Surface functionalization of Inconel 625 produced by powder bed fusion

• Auteur / Autrice : Nicolas Ramenatte
• Direction : Michel Vilasi, Stéphane Mathieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 16/07/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Rossignol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Vilasi, Stéphane Mathieu, Eric Andrieu, Nathalie Bozzolo, Laurence Latu-Romain, Daniel Monceau, Patrice Peyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Andrieu, Nathalie Bozzolo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Inconel

Métallurgie des poudres

Aluminiage

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Aluminisation

Remaniement structural

Oxydation

Suspension

Additive manufacturing

Aluminization

Structural rearrangement

Oxidation

Slurry

Résumé

Le développement de la mobilité hydrogène est freinée par la taille des vaporéformeurs actuels qui ne permettent pas de délivrer de petits volumes proches des points de distribution. L’émergence de la fabrication additive métallique représente une opportunité pour développer des unités de fabrication compactes, intensifiées du point de vue procédé, et dont la taille doit permettre leur implantation au plus proche des utilisateurs. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le contexte du projet FAIR (Fabrication Additive pour Intensification de Réacteurs). Ils visent au développement d’échangeurs-réacteurs élaborés en Inconel 625 par fusion d’un lit de poudre par laser (LBM) et à en fonctionnaliser la surface pour assurer une résistance élevée à la corrosion par Metal Dusting, rendant ces équipements compatibles avec leur industrialisation. Deux voies ont été suivies dans ce travail. La première est l’étude de la microstructure de ces nouveaux matériaux et de son évolution lors d’un traitement thermique de mise en solution. La seconde vise à évaluer la réactivité de ces nouveaux matériaux en milieu oxydant. Différentes zones du matériau LBM ont été caractérisées : le cœur, la sub-surface et les zones superficielles de forte rugosité. L’hétérogénéité de la structure de solidification et les ségrégations chimiques associées ont été constatées. La microstructure de l’alliage à cœur se trouve en partie restaurée à l’issue de l’élaboration. L’énergie stockée induit, lors d’une exposition à haute température, un remaniement structural (recristallisation) favorisant la formation de joints de grains spéciaux de type macle. L’influence de la température (1075 et 1160 °C) et du temps de traitement sur les mécanismes à l’origine de cette évolution microstructurale ont été étudiés. Bien que la microstructure brute d’élaboration apporte une résistance à l’oxydation à 900 °C équivalente à celle d’un alliage élaboré de façon conventionnelle (alliage Inconel 625 laminé), l’oxydation de l’alliage LBM se révèle catastrophique à partir de 125 h à 1050 °C quelle que soit la rugosité de surface ou sa microstructure. L’effet d’un prétraitement thermique ne permet pas de remédier à cette différence. Un mécanisme d’oxydation, en relation avec l’état microstructural du matériau, a pu être proposé pour rendre compte des observations morphologiques et des vitesses d’oxydation mesurées.

Currently the development of hydrogen mobility is hampered by the sizes of plants that cannot produce small volumes as close as possible to the distribution points. The emergence of metallic additive manufacturing gives the opportunity to develop compact equipment whose size will make it possible their installation as close as possible to the users. These thesis works are performed in the frame of the project FAIR (Additive manufacturing for the intensification of the reactors). They aim on one hand at developing reactors-exchangers based on the Inconel 625 elaborated by the laser beam melting (LBM) technology, and on the other hand at functionalizing the surface to improve their resistance against Metal Dusting corrosion, making these equipments compatible with their industrialization. Two ways have been followed in this work. The first one is focused on the study of the microstructure of these new materials and its evolution during heat treatment. The second one aims to assess the reactivity of these new materials in oxidizing atmosphere. Several areas of the LBM material have been characterized: the core, the subsurface and the surface zone with important roughness. The heterogeneity of the solidification structure and the associated chemical segregations have been observed. The microstructure of the core alloy is partially restored as elaborating. During the heat treatment, the stored energy induces a structural rearrangement (recrystallization) favoring the formation of special grain boundaries like twinned grain. The influences of temperature (1075 and 1160 ° C) and time of heat treatment on the mechanisms underlying this microstructure evolution have been studied. Although the raw microstructure provides an oxidation resistance at 900°C equivalent to a conventional material (alloy inconel 625 lamited), oxidation of LBM alloy is catastrophic from 125h at 1050°C whatever the surface roughness or the microstructure. These difference cannot be improved with a thermal pre-treatment. An oxidation mechanism, taking into account the microstructural state of the material, has been developped enabling the description of the morphology of the oxidation products as well as the measured oxidation kinetics.