Tenue à l’usure et réparation de pièces métalliques obtenues par fabrication additive

Wear of metallic repairs obtained by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Théo Zurcher
• Direction : Éric Charkaluk, Vincent Fridrici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....) - Laboratoire de mécanique des solides / LMS
• Jury : Président / Présidente : Eric Hug
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Charkaluk, Vincent Fridrici, Christine Boher, Marc Thomas, Marie-Christine Sainte Catherine, Itziar Serrano Munoz, Aurélien Saulot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Boher, Marc Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Tribologie (technologie)

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication Additive

Laser Metal Deposition

Tribologie

Usure

Réparation

Additive Manufacturing

Laser Metal Deposition

Tribology

Wear

Repair

Résumé

La réparation de pièces métalliques usées en service représente un enjeu stratégique de taille pour les industriels. Ces réparations se doivent d’être avantageuses économiquement mais également écologiquement. De nombreux procédés de réparation, dit « conventionnels », sont encore de nos jours utilisés pour répondre à ce besoin. Cependant, ces derniers ne sont pas, pour la grande majorité, adaptés pour la réalisation de réparations fines de géométrie complexe. Un procédé de fabrication additive (FA) appartenant à la famille des procédés Direct Energy Deposition (DED) appelé Laser Metal Deposition (LMD) répond, entre autres, à ce besoin spécifique. Ce procédé, au-delà d’offrir la possibilité de réparer des pièces, peut également fabriquer des pièces métalliques de géométrie simple ou ajouter des fonctions à des pièces métalliques préexistantes. Ce dernier consiste à juxtaposer et empiler des petits joints de soudure appelés « cordons » en faisant fondre de la poudre métallique en la projetant sous le point focal d’un laser. Le faible diamètre du laser et l’assistance du déplacement de la buse par une commande numérique permet de réaliser des réparations de hautes résolutions. L’étude des propriétés mécaniques des pièces/réparations issues de ce procédé FA a déjà été largement traitée dans la littérature cependant très peu d’études se sont intéressées à leur propriété de résistance à l’usure. Cette thèse porte ainsi sur l’étude expérimentale de la tenue à l’usure de pièces réparées par le procédé LMD afin, in fine, de pouvoir proposer des recommandations méthodologiques qui mènent à des réparations avec une bonne tenue à l’usure. Tout d’abord ce manuscrit expose la démarche expérimentale qui a mené à étudier le comportement à l’usure de réparations en IN718 et en 316L dans le cas d’un contact surfacique sec à mouvement linéaire alterné. Puis, une fois les échantillons fabriqués, ce manuscrit propose une caractérisation complète de leurs surfaces de contact (dureté, contraintes résiduelles, microstructure…) et dont notamment une étude métallurgique détaillée de cette face, qui a été très peu étudiée dans la littérature. Puis, le tribomètre est présenté et le contact est modélisé par éléments finis afin d’estimer les contraintes générées dans de telles sollicitations tribologiques. Enfin, le comportement à l’usure de réparations en superalliage base nickel IN718 et en acier 316L est étudié. Ces études ont montré que la stratégie de réparation et la direction de glissement n’impactaient pas leur tenue à l’usure. Des études des contraintes résiduelles en amont et en aval des essais d’usure ont montré que les contraintes résiduelles inhérentes à ce procédé n'impactaient pas significativement l’usure. Ces études ont également permis de démontrer que les résultats d’usure sont extrêmement dépendants du matériau de réparation utilisé et des conditions tribologiques dans lesquelles les réparations évoluent. Il a notamment été constaté que l’acier 316L possède, pour des conditions tribologiques similaires, une meilleure tenue à l’usure. Cependant, il a été démontré que les réparations en IN718 possédaient une tenue à l’usure plus compétitive que celles en acier 316L lorsqu’on les compare à des pièces, composées du même alliage, fabriquées conventionnellement.

The repair of worn metal parts in service represents a significant strategic challenge for industries. These repairs must be both economically and environmentally advantageous. Many "conventional" repair processes are still used today to meet this need. However, most of these processes are not well-suited for performing fine repairs with complex geometries. An additive manufacturing (AM) process belonging to the Direct Energy Deposition (DED) family, called Laser Metal Deposition (LMD), addresses this specific need. Beyond offering the ability to repair parts, this process can also manufacture simple geometric metal parts or add functions to existing metal parts. It involves layering and stacking small weld joints called "beads," melting metal powder by projecting it under the focal point of a laser. The small diameter of the laser and the guidance of the nozzle's movement by numerical control enable high-resolution repairs. The study of the mechanical properties of parts/repairs from this AM process has already been extensively addressed in the literature. However, very few studies have focused on their wear resistance property. This thesis thus focuses on the experimental study of the wear resistance of parts repaired by the LMD process, with the ultimate goal of providing methodological recommendations leading to repairs with good wear resistance. First, this manuscript presents the experimental approach that led to studying the wear behavior of repairs made from IN718 and 316L in the case of a dry sliding contact with reciprocating motion. Once the samples are manufactured, the manuscript offers a comprehensive characterization of their contact surfaces (hardness, residual stresses, microstructure, etc.), including a detailed metallurgical study of this face, which has been minimally explored in the literature. Subsequently, the tribometer is introduced, and the contact is modeled using finite element analysis to estimate the stresses generated under such tribological conditions. Finally, the wear behavior of repairs in nickel-based superalloy IN718 and 316L steel is studied. These studies have shown that the repair strategy and sliding direction do not significantly impact their wear resistance. Studies of residual stresses before and after wear tests have demonstrated that the inherent residual stresses of this process have a non-significant impact on wear. These studies have also shown that wear results are highly dependent on the repair material used and the tribological conditions in which the repairs operate. Notably, it has been observed that 316L steel exhibits better wear resistance under similar tribological conditions. However, it has been demonstrated that IN718 repairs have a more competitive wear resistance compared to conventionally manufactured parts composed of the same alloy.