Electropolissage de pièces de fabrication additive de forte rugosité initiale en alliages 316L et Inconel 718 : compréhension des mécanismes, apport des potentiels pulsés et dimensionnement du procédé

Electropolishing of additive manufacturing parts with high initial roughness in 316L and Inconel 718 alloys : understanding of the mechanisms, contribution of pulsed potentials and sizing of the process

• Auteur / Autrice : Estelle Drynski
• Direction : Jean-Yves Hihn, Marie-Laure Doche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 04/03/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut UTINAM (Univers, transport, interfaces, nanostructures, atmosphère et environnement, molécules) (Besançon) - Laboratoire chrono-environnement (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Joël Rech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jason Rolet, Véronique Vitry
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Arurault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polissage électrolytique

Mots clés libres

Electropolissage

Fabrication additive

316l

Inconel 718

Potentiel pulsé

Densité spectrale de puissance

Electropolishing

Additive manufacturing

Pulsed potential

Power spectral density

Résumé

Ce travail s’inscrit dans le projet AFTER-ALM de l’IRT M2P (Programme Investissement d’Avenir). Il fédère 27 entreprises et trois laboratoires avec pour objectif la recherche de solutions pour le traitement de finition de pièces réalisées en fabrication additive (FA). La fabrication additive est un procédé par fusion laser de poudres, qui permet d’obtenir en une étape, un objet de géométrie complexe souvent avec des orifices ou canaux interne. Contrairement aux pièces usinées, les prototypes obtenus en FA présentent un état de surface inhomogène caractérisé par une rugosité élevée et la présence de porosités et de particules infondues. Une forte rugosité de surface, outre qu’elle peut s’avérer incompatible avec les applications visées (écoulement de liquides dans des canaux internes), induit une sensibilité accrue du matériau à la fatigue ou à la corrosion. L’objectif de cette thèse est donc de mettre au point une méthode électrochimique de surfaçage pour des pièces de fabrication additive. Ce procédé, connu sous le nom d’électropolissage est déjà utilisé à l’échelle industrielle pour traiter des pièces creuses ou de grande surface. Basé sur la dissolution anodique de la pièce dans un milieu approprié, il connaît un regain d’intérêt avec le développement de la fabrication additive. Cependant plusieurs verrous scientifiques et technologiques sont encore à lever pour permettre une utilisation généralisée. D’une part, un grand nombre d’alliages élaborés par FA s’avèrent très résistants aux attaques chimiques et requiert l’utilisation d’électrolytes très concentrés en acide et potentiellement dangereux. D’autre part, les pièces fabriquées sont de tailles variées et présentent des formes très complexes avec des espaces internes réduits qui risquent de bloquer le phénomène. Les matériaux à l’étude au cours de ce travail seront principalement des aciers inoxydables, mais aussi des bases titane (TA6V) et enfin des alliages très résistants à base nickel. La thèse s’attachera à la recherche d’électrolytes susceptibles de permettre le polissage électrochimique des substrats et à l’étude des mécanismes mis en jeu en fonction des couples électrolytes/substrats. Les difficultés sont principalement dues à la présence d’oxydes de surface très résistants et à la microstructuration de l’alliage. Les problématiques liées aux géométries rencontrées seront également investiguées en considérant l’influence des conditions hydrodynamiques et la forme du courant de polarisation. Lorsque ce dernier est en mode pulsé, il est possible de distinguer plusieurs étapes dans les courbes transitoires dérivées des créneaux délivrés par le générateur de courant, qui jouent un rôle à la fois sur les mécanismes de dissolution en limitant la décomposition du solvant, mais aussi sur les effets de pointe.

This work takes place in a large research program from the IRT M2P (Programme Investissement d’Avenir). It brings together 27 companies and 3 academic units to seek for solutions to the post-treatment of pieces processed by Additive Laser Manufacturing. The latter shows roughness’s levels not compatible with the target applications (liquid flows such as fuel injection in inner channels) or which can present a lack in fatigue or corrosion behaviour. The aim of this thesis is to develop an electrochemical method of polishing for additive manufacturing parts. This process, known as electropolishing is already used on an industrial scale to treat hollow or large parts. Based on the Anodic dissolution of the piece in an appropriate environment, this process might attract renewed interest with the development of additive manufacturing. However several scientific and technological barriers are still to be overcome to allow widespread use. On the one hand, a large number of alloys developed by FA, are very resistant to chemical attacks and requires the use of highly concentrated acidic electrolytes potentially dangerous. On the other hand, manufactured parts are of various sizes with very complex shapes and small internal spaces, which may inhibit the phenomenon. Proposed materials are principally stainless steels, but also titanium alloys (TA6V) and other very resistant alloys such as nickel based ones. The PhD work will take a particular care of the electrochemical way, with a full study of the mechanisms involved in the dissolution, depending of the couple’s substrates/electrolytes used. The main difficulties are due to the presence of highly resistant oxide at the surface and to alloys microstructures. Problems linked to the geometries will be undertaken with the influence of hydrodynamic conditions and to the current modulation. If this one is in pulsed mode, it is possible to identify different steps in the transient curves derived from the pulses delivered by the generator, which play a role in the dissolution mechanisms by limiting the solvent decomposition as well as the peaks effects.