Étude de l'insertion d’une interface de compatibilité multi-matériaux pour le revêtement par projection laser combinant des métaux immiscibles

Study of the insertion of a multi-material compatibility interface for laser spray coating combining immiscible metals.

• Auteur / Autrice : Vincent Jacquier
• Direction : Julien Zollinger, Wilfried Pacquentin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 07/07/2022
• 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 : Hanlin Liao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Zollinger, Wilfried Pacquentin, Matthieu Rauch, Jean-Yves Hascoët, Muriel Carin, Morgan Dal, Salima Bouvier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hanlin Liao, Matthieu Rauch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métallurgie physique

Loi des phases et équilibre

Milieux hétérogènes (physique)

Revêtement métallique

Soudage laser

Prototypage rapide

Mots clés libres

Thermodynamique

Revêtements

Assemblage hétérogène

Métallurgie

Additive

Thermodynamics

Metallurgy

Additive

Dissimilar joining

Coating

Résumé

La fabrication additive multi-métallique par projection laser offre de nouvelles opportunités pour la création de composants de haute performance combinant des métaux aux propriétés différentes. Des obstacles limitent cependant la liberté de fabrication, comme l'existence d'incompatibilités entre certains couples de métaux, telles que l'apparition de phases intermétalliques fragiles ou encore la surchauffe des métaux moins réfractaires. Le contrôle du procédé est de plus rendu complexe en raison des nombreux phénomènes en jeu et des variations de la composition au cours de la fabrication. Dans ce travail, des revêtements combinant des métaux incompatibles ont été réalisés par projection laser, grâce à l'utilisation de métaux intermédiaires choisis à l'aide de la thermodynamique des phases à l'équilibre. L'analyse de premières fabrications a permis de révéler l'importance du taux de refusion du bain avec la sous-couche, qui permet de générer un gradient de composition et d'éviter l'apparition de défauts à l'interface entre deux métaux dissimilaires. Un revêtement de W sur Cu, d'intérêt pour la réalisation de dissipateurs thermiques en environnement extrême, a finalement pu être obtenu grâce à l'insertion d'une succession de métaux miscibles entre les deux, ainsi que de gradients de composition à travers les couches. Ces gradients ont notamment permis l'augmentation progressive des températures des bains de fusion du Cu jusqu'au W. Des outils théoriques ont été développés et utilisés pour mieux comprendre l'impact des paramètres et l'évolution de phénomènes clés durant ces fabrications multi-matériaux complexes. Un modèle de simulation numérique à l'échelle du bain de fusion a notamment été construit, prenant en compte les phénomènes de conduction, de déformation et de dynamique du liquide, de vaporisation, ainsi que de mélange des éléments. Les analyses expérimentales et théoriques des différents dépôts ont permis de mettre en lumière l'importance de la température de fusion du bain et de la puissance sur la présence de particules réfractaires infondues, l'influence de la vitesse de balayage sur la dissolution des particules, et l'évolution de la vaporisation préférentielle d'éléments peu réfractaires pour des mélanges entre métaux dissimilaires. Ce travail contribue globalement à la construction d'une méthodologie générale pour la conception, la réalisation et l'analyse de fabrication additive multi-matériaux combinant des métaux dissimilaires.

Multi-metal additive manufacturing by laser projection offers new opportunities for the creation of high performance components combining metals with different properties. However, several obstacles limit the freedom of manufacturing, such as the existence of incompatibilities between certain metal pairs, like the formation of brittle intermetallic phases or the overheating of less refractory metals. The control of the process is moreover made complex in view of the numerous phenomena involved and the variations of the composition during the manufacturing process. In this work, coatings combining incompatible metals have been produced by laser projection, thanks to the use of intermediate metals chosen with the help of equilibrium phase thermodynamics. The analysis of early fabrications revealed the importance of the remelting ratio of the melt pool with the underlayer, which allows to generate a composition gradient and avoid the occurrence of defects at the interface between two dissimilar metals. A coating of W on Cu, of interest for the realization of heat sinks in extreme environments, has been achieved through the integration of a succession of miscible metals between the two, as well as composition gradients across the layers. These gradients allowed the progressive increase of the melt pool temperatures from Cu to W. Theoretical tools have been developed and used to better understand the impact of parameters and the evolution of key phenomena during these complex multi-material fabrications. In particular, a numerical simulation model at the melt pool scale has been built, taking into account conduction, deformation and dynamics of the liquid, vaporization, as well as mixing of the elements. The experimental and theoretical analyses of the different deposits highlighted the importance of the melt pool temperature and power on the presence of unmelted refractory particles, the influence of the scanning speed on the dissolution of the particles, and the evolution of the vaporization of less refractory elements when mixing dissimilar metals. Overall, this work contributes to the development of a general methodology for the design, implementation and analysis of multi-material additive manufacturing combining dissimilar metals.