Compréhension et maîtrise de la mise en oeuvre en fabrication additive d’aciers à haute teneur en carbone tel que le 100Cr6 par fusion sélective par laser sur lit de poudre

Understanding the implementation in additive manufacturing of high carbon steels such as 100Cr6 by laser powder bed fusion

• Auteur / Autrice : Quentin Massard
• Direction : Philippe Bertrand, Christophe Desrayaud, Elodie Cabrol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Mabru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bertrand, Christophe Desrayaud, Elodie Cabrol, Sylvie Descartes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hanlin Liao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication Additive

Fusion sélective par laser sur lit de poudre

L-PBF

Acier à haut taux de carbone

100Cr6

Optimisation paramétrique

Traction

Fatigue

Densité

Porosité

Fissuration

Plateau chauffant

Martensite

Bainite

Microstructure

Rhéologie

Recyclage des poudres

Additive manufacturing

Selective laser melting

Laser powder bed fusion

High carbon steel

Parametric optimization

Tensile test

Fatigue test

Density

Porosity

Cracking

Heating plate

Martensite

Bainite

Microstructure

Rheology

Powder recycling

Résumé

De nos jours, la production de pièces en acier par fabrication additive (FA) est un sujet central dans le monde de l’industrie, y compris l’automobile. En effet, les possibilités qu’offrent la fabrication additive sont diverses et nombreuses (allègement, formes complexes, …). Le 100Cr6 est un acier à hautes performances mécaniques, principalement utilisé pour la production de roulements à billes, en raison de son importante dureté et résistance à la fatigue. Une étude de processabilité de l’acier 100Cr6 par fusion selective par laser sur lit de poudre a tout d’abord été réalisée. Après avoir caractérisé les propriétés physiques et chimiques du matériau, des échantillons denses et non fissurés ont pu être produits au travers d’une optimisation paramétrique. Un cycle de post-traitement a pu être défini et des essais de traction plane et de fatigue par flexion rotative ont pu être réalisés.Afin de comprendre et maîtriser le phénomène de fissuration du 100Cr6 lors de son emploi par L-PBF une étude métallurgique approfondie (microdureté, imagerie optique, MEB, DRX, EBSD) a pu être menée. L’influence de l’emploi du plateau chauffant quant à la formation de Bainite et de Martensite et leur impacte sur la fissuration a pu être mis en évidence.Enfin, une étude de recyclabilité de la poudre de 100Cr6 oxydée a pu être réalisée à travers l’utilisation d’une machine de sphéroïdisation par plasma radiofréquence. Un débit d’alimentation de poudre dans le plasma permettant de régénérer les propriétés physiques et rhéologiques de la poudre a pu être défini. Une méthode de nettoyage permettant d’améliorer les propriétés chimiques de la poudre a également été proposé.

Nowadays, the production of steel parts by additive manufacturing (AM) is a central topic in the world of industry, including automotive. Indeed, the possibilities offered by additive manufacturing are diverse and numerous (weight reduction, complex shapes, ...). 100Cr6 is a high mechanical performance steel, mainly used for the production of ball bearings, due to its high hardness and fatigue resistance. A processability study of 100Cr6 steel produced by selective laser melting on powder bed was first performed. After having characterized the physical and chemical properties of the material, dense and non-cracked samples were produced through a parametric optimization. A post-treatment cycle was defined and plane tensile tests and rotary bending fatigue tests were performed.In order to understand and control the cracking phenomenon of 100Cr6 when used in L-PBF, a thorough metallurgical study (microhardness, optical imaging, SEM, XRD, EBSD) was conducted. The influence of the use of the heating plate on the formation of Bainite and Martensite and their impact on cracking was highlighted.Finally, a recyclability study of the oxidized 100Cr6 powder was carried out through the use of a radiofrequency plasma spheroidization machine. A powder feed rate in the plasma allowing to regenerate the physical and rheological properties of the powder was defined. A cleaning method to improve the chemical properties of the powder was also proposed.