Elaboration de stratégie des réparations additive de structure soumise à des chargements cycliques. Application a l'acier 316L pour composant nucléaire

Development of additive repair strategies for cyclically loaded structures. Application to 316L steel for nuclear component

• Auteur / Autrice : Baris Telmen
• Direction : Fabien Szmytka
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles
• Jury : Président / Présidente : Luc Remy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Szmytka, Anne-Lise Gloanec, Sylvain Calloch, Gilles Rolland, Pierre Sallamand, Eric Andrieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Sallamand, Eric Andrieu

Mots clés

Mots clés libres

Réparation

Résistance mécanique

Nucléaire

Fabrication additive

Acier inoxydable

Fatigue

Reparation

Mechanical resistance

Nuclear structure

Additive fabrication

Stainless steel

Fatigue

Résumé

Pour plusieurs structures nucléaires soumises à différents types de chargement en service, EDF est contrainte d'effectuer des réparations qui doivent ensuite être qualifiées du point de vue de la résistance à la fatigue. Les procédés de fabrication additive métallique, tels que la projection à froid (Cold Spray - CS) ou le dépôt par énergie dirigée (Directed Energy Deposition - DED), atteignent aujourd'hui des niveaux de maturité suffisants pour être utilisés pour la réparation et devenir compétitifs avec des solutions plus classiques comme le dépôt de fil. Les protocoles de caractérisation expérimentale en termes de chargement statique et cyclique sont maintenant généralisés pour de nombreuses pièces industrielles massives, prenant de plus en plus régulièrement en compte les effets des microstructures, notamment dans les critères de conception. Cependant, de nombreux défis scientifiques et techniques restent à relever pour comprendre l'effet de la réparation, notamment le comportement sous chargements cycliques. Ainsi, la résistance à la fatigue d'une structure nucléaire réparée après avoir été préalablement endommagée, et en particulier : - Quel est le rôle des paramètres de fabrication/chargement (état de surface et géométrie de la zone endommagée à réparer, profondeur de la zone réparée, vitesse de dépôt, épaisseur des couches de matériau déposées) sur la géométrie consolidée du dépôt, dans la microstructure et finalement sur la résistance à la fatigue ? Lequel est le plus important ? - Quelle est la contribution de l'interface entre le matériau initial et le matériau déposé sur la performance en fatigue ? Quelle est la résistance à la fatigue de l'interface par rapport aux surfaces du matériau initial et du matériau déposé sous une charge de fatigue ? Pour examiner ces effets, deux méthodes de fabrication additive métallique largement utilisées, à savoir le dépôt par énergie dirigée et la projection à froid, peuvent être utilisées pour réparer des structures. Le CS, procédé développé industriellement depuis le début des années 2000, consiste à pulvériser de la poudre à très haute vitesse pour construire des dépôts en s'appuyant sur la forte déformation plastique des particules lors de l'impact, qui crée une liaison mécanique. Ce procédé, ne nécessite pas de protection gazeuse particulière. Le dépôt est effectué à l'aide d'un robot 5/6 axes, ce qui permet des configurations de réparation complexes. EDF disposera d'une installation entièrement fonctionnelle en janvier 2019. Le procédé DED utilise une énergie concentrée pour déposer de la poudre soufflée sur la pièce, ce qui crée une liaison métallurgique. Il est donc nécessaire d'utiliser un gaz de protection dans un environnement confiné pour éviter l'oxydation. La tête du laser peut être utilisée en 5/6 axes pour déposer efficacement le matériau. Compte tenu de ces deux processus différents, la conception des expériences et des dépôts qui en résultent joue un rôle important dans la résistance à la fatigue de la structure réparée. Dans cette étude, l'acier inoxydable austénitique 316L, largement utilisé, a servi de matériau de base et de poudre soufflée dans les deux procédés. D'un point de vue expérimental, les principaux objectifs sont de définir la géométrie d'éprouvette réparée la plus adaptée, puis d'observer les microstructures des zones réparées, de réaliser des essais de fatigue sous des chargements variables (après avoir défini des conditions de chargement représentatives pour les éprouvettes réparées, avec un chargement simple sur les éprouvettes produites à 100% par le métal d'apport), et enfin de proposer un critère de fatigue après des analyses post-mortem.

For several nuclear structures subjected to different types of loading in service, EDF is compelled to perform repairs that must then be qualified from the perspective of fatigue resistance. The metal additive manufacturing process, such as Cold Spray (CS) or Directed Energy Deposition (DED), reach now maturity levels sufficient to be used for repair and become competitive with more classic solutions such as wire deposition. Experimental characterization protocols in terms of both static and cyclic loading are now generalized for many massive industrial parts, taking more and more regularly into account the effects of microstructures, particularly within the design criteria. However, many scientific and technical challenges remain to understand the effect of reparation, especially the behavior under cyclic loadings. Thus, fatigue strength of a repaired nuclear structure after being previously damaged, and in particular: - What is the role of the manufacturing/reloading parameters (surface condition and geometry of the damaged area to be repaired, repaired zone depth, deposing rate, the thickness of the deposited material layers) on the consolidated geometry of the deposition, in the microstructure and ultimately on the fatigue strength? Which one is the most important? - What is the contribution of the interface between the initial material and the deposition material regarding the fatigue performance? What is the interface fatigue resistance compared to the base and deposited material surfaces under fatigue loading? To examine these effects, two widely used metal additive manufacturing methods, namely, Directed Energy Deposition and Cold Spray, can be used to repair structures. CS, a process developed industrially since the early 2000s, consists of spraying powder at very high velocity to build deposits relying on the strong plastic deformation of the particles during impact, which creates mechanical bonding. This process, does not require any special gas protection. The deposition is performed using a 5/6 axis robot, which allows complex repair configurations. EDF will have a fully functional facility in January 2019. The DED process uses concentrated energy to deposit-blown powder onto the part, which creates metallurgical bonding. Thus, it’s necessary to use shielding gas in a confined environment to avoid oxidation. The laser head can be operated in 5/6 axis to deposit material efficiently. Considering these two different processes, design of experiments and resulting depositions plays an important role in the fatigue strength of the repaired structure. In this study, widely used austenitic stainless steel 316L was used as both the base material and blown powder in both processes. From an experimental viewpoint, main objectives are to define the most suitable repaired specimen geometry, then to observe the microstructures of the repaired areas, to perform fatigue tests under variable loadings (after defining representative loading conditions for repaired specimens, with simple loading on specimens 100% produced by the filler metal), and finally to propose a fatigue criterion after post-mortem analyses.