Etude de revêtements base nickel pour le chaînage des procédés Cold Spray et L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion)

Study of nickel-based coatings for the combination of cold spray and L-PBF (Laser-Powder Bed Fusion) processes

• Auteur / Autrice : Cléa Plouze
• Direction : Vincent Guipont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Ning Ji
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Guipont, Cécile Davoine, Frédéric Prima
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Denoirjean, Matthieu Schneider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement de surface

Soudage laser

Prototypage rapide

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Cold spray

Superalliages base nickel

Fabrication additive

Fusion laser sélective sur lit de poudre (L-PBF)

IN738LC

Revêtement

Cold spray

Laser powder bed fusion (L-PBF)

Additive manufacturing

Nickel-based superalloys

IN738LC

Coating

Résumé

Les procédés de fabrication additive par fusion sur lit de poudre ou projection de poudres permettent la fabrication de pièces proches des dimensions finales. L’état interne de la matière sera fortement impacté par le choix du procédé, « à chaud » par une étape de fusion-solidification pour la fabrication L PBF (Laser Powder Bed Fusion) ou « à froid » par de la déformation plastique sévère dans le cas du procédé Cold Spray (CS). L’objectif de cette thèse est d’explorer le chaînage de ces deux procédés à travers le développement d’un plateau de fabrication additive par CS. Le plateau support en L-PBF est généralement de la même matière que la poudre pour éviter les diffusions d’éléments et les phénomènes de fissuration. Dans le cas de matériaux innovants tels que l’IN738LC, alliage de fonderie pour l’aéronautique, les plateaux de fabrication L-PBF massifs coûteux pourraient être avantageusement substitués par un plateau conventionnel revêtu par CS d’une couche épaisse, dense et de composition homogène (IN738LC) ou compatible (Ni). La thèse est articulée en trois parties : i) projection CS d’IN738LC et de Ni, ii) fusion de dépôt CS en conditions laser L-PBF sans apport de matière, iii) concrétisation du chaînage CS et L-PBF par l’étude de la fabrication de pavés L-PBF sur des dépôts CS. Les dépôts CS d’IN738LC et de Ni sont réalisés avec deux installations CS moyenne et haute pression. Ils sont ensuite analysés à l’état brut de projection et après post-traitement thermique par comparaison de leurs microstructures (porosités) et de leurs propriétés mécaniques (dureté, écrouissage et contraintes résiduelles). Des premiers essais de fusion L-PBF sans apport de matière sont élaborés sur les différents dépôts. Cette étude caractérise les évolutions morphologiques et microstructurales (fissuration notamment) des dépôts CS, au sein et à proximité des zones fondues et de l’interface substrat/dépôt en fonction des différents types de dépôts et des paramètres laser. Un modèle numérique 3D complète et explicite ces résultats expérimentaux afin d’étudier la position des zones les plus fortement contraintes. La concrétisation du chaînage est finalement abordée avec la fabrication de pavés L-PBF, notamment sur des plateaux revêtus d’IN738LC de taille réelle. Une optimisation des revêtements CS et de la stratégie L-PBF pourrait améliorer les potentialités du chaînage afin de répondre non seulement à la problématique des plateaux de fabrication, mais aussi d’apporter des possibilités nouvelles d’ajout de fonctions sur des pièces revêtues par CS.

Different additive manufacturing (AM) processes involving the incremental deposition of powders by melting or spraying can be envisaged for the direct fabrication of shaped parts. The internal state of the material will be highly affected by the process choice, L PBF (Laser-powder bed fusion) is driven by a local melting solidification of a powder bed while cold spraying (CS) is a solid-state deposition process of a supersonic jet of powders undergoing severe plastic deformation at the impact. The aim of this thesis is to explore the combination of both processes through the development of a CS coated L PBF build platform. The L PBF build platform is generally made of the same material as the powder to prevent element diffusion and cracking. For innovative materials such as IN738LC, expensive bulk L PBF build platforms could be replaced by a standard platform coated by CS with a thick, dense and homogeneous (IN738LC) or compatible (Ni) layer. The thesis is divided into three parts: i) CS of IN738LC and Ni, ii) investigation of the melting of CS deposits under L-PBF laser conditions without additional powder, iii) application of CS combined to L-PBF by the study of manufacturing L-PBF pieces on CS deposits. CS IN738LC and Ni deposits were prepared using two spraying facilities, medium and high pressure. As sprayed and post-treated samples were analyzed in terms of microstructures and mechanical properties evolution (hardness, work hardening and residual stresses measured by XRD). First L-PBF trials without additional powder were implemented on the different deposits. The study mainly characterizes the morphological and microstructural evolutions (cracking in particular) of CS deposits, within and in the vicinity of the molten zones and of the substrate/deposit interface as a function of the different types of deposits and the laser parameters. A 3D numerical model is developed to complete and explain the experimental results to approach the position of the most critical zones. The application of CS and then L-PBF is finally addressed, in particular on full size coated L-PBF platforms. An optimization of the CS coatings and of the L-PBF strategy could improve the chaining potentials to answer not only the issue of the build platforms, but also to bring new possibilities such as adding functions to the CS coated parts.