Compréhension et maîtrise de la mise en oeuvre des cermets par procédé de fusion laser sur lit de poudre pour la réalisation de pièces anti-usure

Understanding and mastery of implementation of cemented carbides using laser powder bed fusion to produce wear-resistant parts

• Auteur / Autrice : Kévin Papy
• Direction : Philippe Bertrand, Andras Borbely, Julien Favre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 22/06/2023
• 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 : Clément Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bertrand, Andras Borbely, Julien Favre, Mathilde Labonne, Maria Doubenskaia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Courant, Jean-Michel Missiaen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cermets

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

L-PBF

Cermets

Carbures Cémentés

Carbure de tungstène

Post-traitement

Microstructure

Propriétés mécaniques

Propriétés tribologiques

Additive manufacturing

L-PBF

Cermets

Cemented carbides

Tungsten carbide

Post-processing

Microstructure

Mechanical properties

Tribological properties

Résumé

Technogenia® est une entreprise française, créée en 1979 et est spécialisée dans les revêtements soudés anti-usure en carbure de tungstène (WC). Dans le cadre de la thèse, Technogenia® souhaite évaluer la pertinence de réaliser des pièces anti-usure à base de carbure de tungstène par technologie de fabrication additive. L’objectif premier de l’entreprise est d’utiliser la technologie de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF), afin de produire des pièces à base de carbure de tungstène se rapprochant des caractéristiques mécaniques des pièces en WC monobloc qui sont réalisées par procédé conventionnel. Cette thèse a pour objectif d’étudier la faisabilité de réalisation des pièces à base de carbure de tungstène et de caractériser les microstructures et les propriétés mécaniques et d’usure des pièces réalisées par fabrication additive. Les propriétés des matériaux obtenus par procédé L-PBF seront comparées aux propriétés connues de pièces conçues par procédé conventionnel. Dans un premier temps, deux poudres à base de carbure de tungstène avec des liants métalliques (carbures cémentés) sont sélectionnées afin de réaliser une optimisation paramétrique pour le procédé L-PBF. Cette étape est réalisée en analysant l’influence des principaux paramètres du procédé (puissance laser, vitesse de balayage, stratégie de balayage, écart vecteur, épaisseur de couche, …) sur les matériaux. Un plan d’expérience est défini en plusieurs étapes, comme la réalisation de cordons, de surfaces et de cubes dans le but de déterminer les principaux paramètres. Deux types de post-traitement thermique sont réalisés afin d’étudier l’influence sur les matériaux et d’éliminer certains défauts structurels. Les différences microstructurales entre les deux liants sont analysées et étudiées. De nombreux phénomènes dû au procédé laser sont observés et commentés lors de l’analyse des échantillons. Dans un deuxième temps, une étape de caractérisation mécanique et tribologique est réalisée sur les échantillons fabriqués avec succès. Différents tests mécaniques (dureté, ténacité, résilience) sont réalisés en vue de caractériser et de comparer les matériaux obtenus par L-PBF avec un matériau de référence réalisé par procédé conventionnel. Pour terminer, la résistance à l’usure des matériaux obtenus est étudiée et comparée lors de deux différents tests tribologiques.

Technogenia® is a French company, founded in 1979, specialized in hardfacing solutions based on tungsten carbide welding overlays. As part of the thesis, Technogenia® wishes to assess the suitability of using Additive Manufacturing technology to produce wear-resistant parts based on tungsten carbide. The company's primary objective is to use laser-powder bed fusion (L-PBF) technology to produce tungsten carbide-based parts that approach the mechanical characteristics of tungsten carbide-based parts made by conventional processes. The aim of this thesis is to study the feasibility of producing tungsten carbide-based parts, and to characterize the microstructures and mechanical and wear properties of parts produced by Additive Manufacturing. The properties of materials obtained using the L-PBF process will be compared with the known properties of parts produced by conventional processes. Firstly, two tungsten carbide-based powders with metal binders (cemented carbides) are selected for parametric optimization in the L-PBF process. This step is carried out by analyzing the influence of the main process parameters (laser power, scanning speed, scanning strategy, vector deviation, layer thickness, etc.) on the materials. An experimental design is defined in several steps, such as the production of beads, surfaces and cubes, in order to determine the main parameters. Two types of thermal post-treatment are carried out to study the influence on the materials and to eliminate certain structural defects. Microstructural differences between the two binders are analyzed and studied. Numerous phenomena due to the laser process are observed and commented on during sample analysis. Secondly, the samples successfully manufactured are subjected to mechanical and tribological characterization. Various mechanical tests (hardness, toughness, impact strength) are carried out to characterize and compare L-PBF materials with a reference material produced by conventional methods.