Fabrication additive, nouvelle technique d'élaboration des alliages métalliques : impact de la microstructure sur la durabilité à haute température de l'acier AISI 316L

Additive manufacturing, new elaboration technique of metallic materials : impact of the microstructure on high temperature durability of AISI 316L steel

• Auteur / Autrice : Corentin Siri
• Direction : Ioana Popa, Sébastien Chevalier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Monceau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Voltz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Latu-Romain, Jérôme Favergeon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier

Microstructure (physique)

Oxydation

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Slm

Aisi 316l

Oxydation haute température

Microstructure

Additive Manufacturing

Slm

Aisi 316l

High temperature oxidation

Microstructure

Résumé

Les procédés de Fabrication Additive (FA) permettent de mettre en forme des pièces de géométrie très complexe, en une seule étape, au plus près de leurs côtes finales et cela directement à partir d'un modèle 3D CAO. Malgré un nombre très important d'études portant sur la FA, très peu de travaux font état de la tenue à haute température des matériaux issus de ces procédés. Ce travail de thèse s'est focalisé sur l'évaluation de l'impact du procédé Selective Laser Melting (SLM) sur la durabilité à haute température d'un des aciers commerciaux les plus utilisé dans l'industrie, l'acier inoxydable austénitique AISI 316L. La réactivité d'échantillons élaborés par SLM a été évaluée dans différentes conditions (atmosphère, température, exposition isotherme ou cyclique) et comparée à celle de l'acier 316L issu de la métallurgie conventionnelle, considéré comme référence.L'acier SLM présente une meilleure résistance envers l'oxydation à haute température (700-1000°C) sous air dans toutes les conditions expérimentales étudiées. Ce meilleur comportement a été relié à un taux de Cr disponible à proximité de la couche d'oxyde suffisamment élevé pour maintenir la formation d'une couche protectrice de Cr2O3, contrairement au matériau conventionnel. Différentes hypothèses ont été discutées afin d'expliquer la meilleure diffusion du Cr du volume vers la surface du matériau SLM. L'origine du meilleur comportement de l'acier SLM a été identifiée dans sa microstructure, typique des procédés de FA par fusion laser. En effet, l'acier SLM contient un grand nombre de dislocations et de sous-joints de grains favorisant la diffusion. La présence de nano-inclusions d'oxyde a également un impact positif sur le comportement de l'acier SLM pendant de longues durées de vieillissement à haute température.

Additive Manufacturing (AM) processes are able to elaborate, in a single step, metallic parts with very complex geometry, as close as possible to their final dimensions, based on 3D CAD model. Despite a very large number of studies on AM parameters, very few studies report on the high temperature behavior of the metallic materials produced by these processes. This thesis work evaluates the impact of the Selective Laser Melting (SLM) process on the high temperature durability of the austenitic stainless steel AISI 316L, commercial grade widely used in the industry. For this purpose, the reactivity of SLM samples was studied in different conditions (atmosphere, temperature, isothermal or cycling) and compared to that of the wrought 316L, used as reference.SLM steel has better resistance to high temperature oxidation (700-1000°C), in all the considered experimental conditions. The better behavior was related to a higher Cr content available at the metal surface, high enough to maintain the formation of protective Cr2O3 layer, unlike the wrought material. Several hypotheses were discussed in order to explain the better diffusion of Cr from bulk to the surface of SLM material. The better behavior of SLM steel was explained through its microstructure, typical of laser melting AM processes. Indeed, it contains a high number of dislocations and sub-grain boundaries that favor the diffusion. The presence of oxide nano-inclusions also has positive impact on behavior of the SLM steel over long ageing periods at high temperature.