Impact du procédé de choc laser sur les propriétés métallurgiques de l’acier 32-CrMoV-13 Nitruré

Imact of the Laser Shock Peening process on the metallurgical properties of 32-CrMoV-13 nitrided steel

• Auteur / Autrice : Maxime Guerbois
• Direction : Laurent Berthe, Véronique Favier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Retraint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Berthe, Véronique Favier, Salima Bouvier, Thibaut de Rességuier, Pascal Lamesle, Uroš Trdan, Domenico FURFARI
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Salima Bouvier, Thibaut de Rességuier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier

Choc (mécanique)

Dissertation universitaire

Usinage par laser

Mots clés libres

Choc Laser

Contraintes résiduelles

Acier nitruré

Laser Shock

Residual Stresses

Nitrided steel

Résumé

Le projet TRANSFUGE (pour Transmission Future Génération) est un projet piloté par l’IRT-M2P (Institut de Recherche Technologique Matériaux Métallurgie et Procédés). Le projet cible l’amélioration des pièces de transmission de puissance, à savoir la pignonnerie et les roulements. Dans le domaine aéronautique/naval, les pièces de transmission de puissance sont pour la plupart considérées comme critiques. Une pièce critique est une pièce dont la rupture entraine un effet catastrophique sur le système. En vue d’améliorer les performances en fatigue de ces pièces, le LSP est envisagé comme moyen de traitement capable d’apporter un niveau de contraintes résiduelles de compression équivalent voir supérieur à ce que permet actuellement le grenaillage conventionnel.Cette thèse a donc pour but d’évaluer la possibilité d’utiliser le LSP pour le renforcement des pièces de transmission de puissance. Les matériaux utilisés pour les applications de transmission de puissance sont des aciers cémentés ou nitrurés, comportant une haute limite d’élasticité en surface, ainsi que des gradients de propriétés mécaniques.Après une étude bibliographique menée sur le LSP, ainsi que sur les aciers cémentés et nitrurés, des essais ont permis de caractériser ces matériaux avant choc laser, et de déterminer leur limite d’élasticité à haute vitesse de déformation. Ces essais ont permis de définir une gamme de densité de puissance (GW/cm²) nécessaire pour plastifier ces matériaux. Par la suite, des traitements LSP ont été réalisés sur ces matériaux sur la plateforme Héphaïstos du PIMM (cadence de tir 2Hz, longueur d’onde 532nm). Une série de caractérisation a été réalisée pour évaluer l’impact du traitement sur les différentes propriétés mécaniques des matériaux : contraintes résiduelles, mesures de dureté, rugosité, microstructure et EBSD. Enfin, des essais sur la plateforme laser Théia du PIMM, (10Hz, 1064nm) afin de pouvoir explorer des paramétries alternatives et leurs effets sur les propriétés mécaniques des matériaux.

The TRANSFUGE project (for Transmission Future Generation) led by the IRT-M2P (Institut de Recherche Technologique Matériaux Métallurgie et Procédés), aims at the power transmission components improvments (as gears). In the aerospace industry, most power transmission parts are considered critical. The failure of a critical part would have a catastrophic effect on the system. In order to improve the fatigue performance of these parts, Laser Shock Peening (LSP) is investigated as a treatment method capable of providing a level of residual compressive stress higher than what is currently achieved by conventional shot peening.The main goal of this thesis is to investigate LSP, as a suitable process of power transmission parts reinforcement. The materials used for power transmission applications are carburized or nitrided steels, with high surface yield strengths and mechanical properties gradients.Following a literature review on LSP and carburized/nitrided steels, tests were carried out to characterize untreated materials, and to determine their yield strength at high strain rates. These tests defined the range of power density (GW/cm²) required to yield these materials. LSP treatments were then carried out on these materials on the PIMM's Héphaïstos platform (2Hz firing rate, 532nm wavelength). A set of characterizations had been carried out to assess the impact of the treatment on the materials various mechanical properties: residual stresses, hardness, roughness, microstructure and EBSD measurements. Finally, tests were carried out on PIMM's Théia laser platform (10Hz, 1064nm) in order to explore new LSP parameters (different pulse duration, DOE) and the materials mechanical properties effects.