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
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux Et Transformations
• 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

Transformations à l'état solide

Acier inoxydable martensitique

Wire-arc additive manufacturing

Phase field

Solid-state transformations

Martensitic stainless steel

Résumé

La fabrication additive arc-fil (WAAM) est une méthode de fabrication de pièces métalliques mêlant élaboration et mise en forme, permettant de produire des pièces de grandes dimensions aux morphologies complexes en séries limitées. Les aciers inoxydables martensitiques présentent une bonne résistance à la corrosion, à l'abrasion et aux chocs, et sont utilisés pour la réalisation de turbines hydrauliques. Ces pièces, coûteuses à mettre en forme, pourraient à terme être réalisées ou réparées par WAAM. Lors de son élaboration, le matériau est déposé couche par couche à haute température, faisant ainsi évoluer la microstructure des couches précédemment déposées. La compréhension des mécanismes d'évolution de la microstructure permettrait une meilleure maîtrise de cette dernière, et ainsi d'optimiser les performances de la pièce imprimée. La présente étude met ainsi en évidence les évolutions microstructurales (nature, composition, proportion, distribution et orientation cristallographiques des phases) ayant eu lieu au cours des cycles thermiques successifs lors de l'élaboration par WAAM d'un acier Er410 NiMo par différentes techniques comme la microscopie électronique à balayage et en transmission, la diffraction des rayons X et la sonde atomique tomographique. De plus, un modèle champ de phase permettant de simuler l'évolution de la microstructure d'un acier martensitique lors du procédé WAAM a été développé en couplant un modèle de transformation displacive et d'évolution de la composition chimique par le biais de la méthode CALPHAD. Ce modèle permet de mieux comprendre les mécanismes physiques menant à la microstructure des pièces élaborées par WAAM.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) is a method of fabricating metal parts that combines material deposition and shaping, allowing the production of large-sized parts with complex geometries in limited series. Martensitic stainless steels exhibit good resistance to corrosion, abrasion, and impact, making them suitable for hydraulic turbine applications. These components, costly to shape using traditional methods, could potentially be manufactured or repaired through WAAM. During the manufacturing process, the material is deposited layer by layer at high temperatures, leading to the evolution of the microstructure of previously deposited layers. Understanding the mechanisms governing microstructural evolution would enable better control over the microstructure and optimize the performance of the printed part. This study highlights the microstructural evolutions (nature, composition, proportion, distribution, and crystallographic orientation of phases) that occur during successive thermal cycles in the WAAM process of an Er410 NiMo steel. Various techniques such as scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and atom probe tomography were employed to characterize the microstructural changes. Furthermore, a phase field model was developed to simulate the microstructural evolution of a martensitic steel during the WAAM process by coupling a displacive transformation model and chemical composition evolution equations using the CALPHAD method. This model enhances the understanding of the physical mechanisms governing the microstructure of parts fabricated by WAAM.