Réparation par dépôt de métal au laser de pièces en acier inoxydable 316L

Laser metal deposition repair of stainless steel 316L parts

• Auteur / Autrice : Thomas Cailloux
• Direction : Fanny Balbaud, Kun Zhou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 20/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physico-chimie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Langlade
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hejun Du, Oumaïma Gharbi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Langlade, Christophe Tournier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surfaces par laser

Acier inoxydable

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Acier inoxydable

Réparation

Nucléaire

Offshore

Additive manufacturing

Stainless steel

Repair

Nuclear

Offshore

Résumé

Les industries nucléaires et éoliennes offshore présentent un intérêt majeur pour répondre aux enjeux actuels de production d’énergie électrique décarbonée dans un contexte de crise énergétique et climatique mondiale. Cependant, les matériaux de structure utilisés dans ces installations sont soumis à des environnements agressifs qui conduisent à l’endommagement des composants, limitant leurs durées de vies et nécessitant leur remplacement. Dans un contexte d’économie circulaire, les technologies de réparation permettent de limiter ces remplacements, diminuant ainsi les temps et coûts liés aux arrêts des installations. Elles permettent également de minimiser les ressources minérales nécessaires à l’élaboration de nouveaux composants ainsi que l’empreinte carbone liée aux procédés de fabrication et au transport des composants. L’objectif de cette thèse est de développer un procédé de réparation de pièces métalliques qui respecte les critères de déposition suivants : dense, sans fissures, avec une liaison métallurgique avec le substrat, imperceptible en termes de comportement mécanique et de résistance à la corrosion. Ce procédé doit in fine permettre de réparer le défaut initial avec un retour aux dimensions d’origine, sans endommager le reste de la pièce. Pour respecter ce cahier des charges, la technologie Laser Metal Deposition (LMD) issue de la fabrication additive apparait prometteuse. Le procédé LMD a en effet démontré sa capacité à réparer des pièces métalliques en conservant une haute densité de déposition et de bonnes propriétés mécaniques. L’énergie apportée par le laser permet de fondre le matériau d’apport sans sensiblement affecter thermiquement le substrat, évitant les distorsions de la pièce réparée. Enfin, l’implantation des têtes de déposition sur des machines à contrôle numérique permet d’automatiser le procédé de réparation et d’avoir une haute précision en comparaison d’une réparation manuelle. La thèse s’est donc focalisée sur la compréhension et l’optimisation de deux grandes étapes du procédé de réparation : (i) le pré-usinage pour l’enlèvement de matière endommagée et (ii) le dépôt de poudres fondues par laser pour remplacer la matière. La compréhension de la synergie entre ces deux étapes est également essentielle pour obtenir des dépôts de bonne qualité en usinant un volume endommagé minimum. Pour cela une étude a permis d’optimiser la forme et les dimensions du défaut usiné, un pré-usinage ellipsoïdal avec un angle d’ouverture de 120° et des paramètres de déposition optimisés a ainsi été déterminé. Les travaux de thèse ont également investigué l’influence du préchauffage du substrat, du temps d’attente intercouche et de différents post-traitements thermiques sur la réparation. Ils ont ainsi permis de proposer une méthode pour homogénéiser les caractéristiques des pièces réparées en terme de microstructure, propriétés mécaniques et résistance à la corrosion lors du dépôt de matière pour viser l’imperceptibilité de la réparation dans la pièce. Ces travaux ont également permis de mettre en œuvre l’ensemble de ces étapes optimisées dans une machine hybride additive/soustractive pour démontrer la faisabilité et l’efficacité de cette technologie émergente. Les temps de réparation sont ainsi réduits tout en conservant une réparation dense et en améliorant légèrement les propriétés mécaniques.

The nuclear and offshore wind industries are of great interest to meet the current challenges of producing carbon-free electrical energy in the context of the global energy and climate crisis. However, the structural materials used in these facilities are exposed to aggressive environments that damage components, limiting their lifespan and requiring their replacement. In the context of a circular economy, repair technologies make it possible to limit these replacements, thus reducing the time and costs associated with plant shutdowns. They also allow for minimizing the mineral resources required for the development of new components, as well as the carbon footprint associated with the manufacturing processes and transportation of the components. The objective of this thesis is to develop a process for the repair of metal parts that meets the following deposition criteria: dense, without cracks, with metallurgical bonding to the substrate, and imperceptible in terms of mechanical behavior and corrosion resistance. This process must ultimately be able to repair the initial defect with a return to the original dimensions without damaging the rest of the part. Laser Metal Deposition (LMD) technology, which is based on additive manufacturing, appears to be a promising way to meet these requirements. The LMD process has demonstrated its ability to repair metal parts while maintaining high deposition density and good mechanical properties. The energy provided by the laser allows the material to be fused without significantly affecting the substrate thermally, thereby avoiding distortion of the repaired part. Finally, the implementation of deposition heads on computer numerical control machines allows the repair process to be automated and to achieve a high level of precision compared to manual repair. The thesis, therefore focused on understanding and optimizing two main steps of the repair process: (i) the pre-machining to remove damaged material and (ii) the laser fused powder deposition to replace the material. An understanding of the synergy between these two steps is also essential to obtain a good quality deposit while machining a minimum volume of damage. For this purpose, a study was conducted to optimize the shape and dimensions of the machined defect. An ellipsoidal pre-machining with an opening angle of 120° and optimized deposition parameters were determined. The influence of substrate preheating, interlayer dwell time, and different post-heat treatments on the repair was also studied. The results have allowed proposing a method to homogenize the characteristics of the repaired parts in terms of microstructure, mechanical properties, and corrosion resistance during the deposition of the material, aiming at the imperceptibility of the repair in the part. This work has also allowed the implementation of all these optimized steps in an additive/subtractive hybrid machine to demonstrate the feasibility and efficiency of this emerging technology. Repair times are thus reduced while maintaining a dense repair and slightly improving mechanical properties.