Évolution de la microstructure d'un acier inoxydable martensitique élaboré par fabrication additive arc-fil : couplage entre expérience et modélisation

Microstructure evolution during wire-arc additive manufacturing of a martensitic stainless steel : coupling between experience and modelisation

• Auteur / Autrice : Jules L'hostis
• Direction : Ludovic Thuinet, Marie-Noëlle Avettand-fenoel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie des matériaux - UMET - IPS
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité Matériaux et Transformations (Lille ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie Physique et Génie des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Fabrication additive arc-fil

Champ de phase

Acier inoxydable martensitique

Wire-arc additive manufacturing

Phase field

Martensitic stainless steel

Résumé

Cette étude vise à comprendre les mécanismes de formation et d'évolution à l'état solide de la microstructure d'un acier inoxydable martensitique lors de son élaboration par fabrication additive arc-fil (WAAM) instrumentée en température par des thermocouples. Des murs fins ont ainsi été édifiés en optimisant les paramètres de procédé pour maximiser la reproductibilité des cycles thermiques. La microstructure ainsi que les propriétés mécaniques des pièces ont ensuite été caractérisées à l'échelle du mur, des couches et au sein des couches. Trois zones macroscopiques ont pu être identifiées dans les murs en fonction des conditions thermiques : la zone supérieure, complètement réausténitisée lors du dépôt de la dernière couche, la zone médiane, ayant subi au moins un revenu et la zone inférieure, sous l'influence thermique du substrat. Les pièces sont majoritairement constituées de martensite en lattes et d'une faible fraction d'austénite inter-lattes a été détectée dans la zone médiane. Des ségrégations chimiques aux échelles mésoscopique et atomique ont pu être observées dans les zones supérieure et médiane du mur. Une forte différentiation microstructurale s'opère lors du 3e réchauffage d'une couche, menant à des oscillations périodiques de la dureté du mur selon sa direction d'édification, qui peuvent être expliquée par les différents degrés de revenu de la martensite. Des mécanismes sont proposés pour expliquer les différentes évolutions microstructurales durant l'élaboration. De plus, un modèle champ de phase permettant de simuler l'évolution de la microstructure d'un acier inoxydable martensitique au cours d'une rampe de refroidissement expérimentale a été développé en couplant un modèle de transformation displacive et d'évolution de la teneur en carbone par un algorithme multi-pas de temps. Ces simulations ont permis de reproduire des courbes de type Koistinen-Marburger et de montrer l'effet des différentes conditions aux limites élastiques sur la fraction de martensite formée. Les simulations couplées ont permis d'étudier le niveau de partitionnement du carbone entre la martensite et l'austénite lors de la trempe. Il a ainsi été constaté que le carbone s'accumule dans l'austénite au voisinage de la martensite et que l'amplitude et la largeur de ces enrichissements dépend de l'agencement local des variants de martensite.

The aim of this study is to understand the mechanisms governing the formation and solid state evolution of the microstructure of a martensitic stainless steel during its fabrication by Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) instrumented for temperature using thermocouples. For this purpose, thin walls were fabricated with optimized process parameters to maximize the reproducibility of thermal cycles. The microstructure and mechanical properties of the parts were then characterised at the scale of the wall, the layers and within the individual layers. Three macroscopic zones could be identified in the walls according to the thermal conditions: the upper zone, completely reaustenitized during the deposition of the last layer, the middle zone, which experienced at least one tempering cycle, and the lower zone, under the thermal influence of the substrate. The parts consist mainly of lath martensite, with a low fraction of inter-lath retained austenite detected in the middle zone. Chemical segregation at mesoscopic and atomic scales was observed in the upper and middle zones of the wall. A strong microstructural differentiation occurs during the 3rd reheating of a layer, leading to periodic hardness oscillations along the wall's building direction, which can be explained by the different degrees of tempering of the martensite. Mechanisms are proposed to explain the different microstructural evolutions during elaboration. Additionally, a phase-field model was developed to simulate the microstructural evolution of a martensitic stainless steel during an experimental cooling curve. This model couples a displacive transformation model with the evolution of carbon content using a multi-time-step algorithm. The simulations successfully reproduced Koistinen-Marburger-type curves and showed the effect of different elastic boundary conditions on the fraction of martensite formed. Coupled simulations allowed the study of the level of carbon partitioning between martensite and austenite during quenching. It was found that carbon accumulates in austenite in the vicinity of martensite, and that the amplitude and width of these enrichments depend on the local arrangement of martensite variants.