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 experiments and modelling

• Auteur / Autrice : Jules L'hostis
• Direction : Ludovic Thuinet, Marie-Noëlle Avettand-Fenoël
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/04/2025
• 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-....) - Unité Matériaux et Transformations - UMR 8207 / UMET
• Jury : Président / Présidente : Pascal Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Thuinet, Héléna Zapolsky, Damien Fabrègue
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Héléna Zapolsky, Damien Fabrègue
• DOI : 10.70675/e95394f9z30baz4758zbdf4z35888d2f9a3a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Acier martensitique

Multiphysique

Modèles mathématiques

Microstructure (physique)

Analyse EBSD

Transitions de phases

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 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 expliquées 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 martensitique lors du procédé WAAM a été développé. Ce modèle a été couplé avec une base de données de type CALPHAD afin de déterminer les grandeurs thermodynamiques requises pour mener des simulations relatives à la nuance Er410 NiMo et ce, pour l’ensemble des températures balayées lors des cycles thermiques mesurés expérimentalement. Ces mêmes cycles thermiques ont été utilisés directement comme données d’entrée du modèle. Ce type de couplage a également permis de simuler le partitionnement du carbone entre la martensite et l’austénite lors de certaines étapes du procédé, ce qui a en particulier nécessité le développement d’un algorithme multi-pas de temps pour traiter à la fois les mécanismes displacifs et diffusifs mis en jeu. Le modèle ainsi obtenu a permis de mettre en évidence un certain nombre de résultats, comme l’influence significative des conditions aux limites élastiques adoptées ou l’importance de prendre en compte les cycles thermiques réels. De plus, une forte dépendance de la ségrégation du carbone à l’agencement local des différents variants de martensite est constatée. Ce résultat illustre l’intérêt d’avoir recours à un modèle de type champ de phase, puisque celui-ci permet la prise en compte de morphologies complexes telles que celles rencontrées dans les microstructures martensitiques

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 the WAAM process. This model was coupled with a CALPHAD database to determine the thermodynamic quantities required for simulations of the Er410 NiMo steel, across the full range of temperatures encountered during experimentally measured thermal cycles. These same thermal cycles were directly used as input data for the model. This type of coupling also made it possible to simulate the partitioning of carbon between martensite and austenite during certain stages of the process. This coupling required the development of a multi-time-step algorithm to address both the displacive and diffusive mechanisms involved. The resulting model highlighted several findings, such as the significant influence of the adopted elastic boundary conditions and the importance of considering real thermal cycles. Finally, a strong dependence of carbon segregation on the local arrangement of different martensite variants was observed. This result highlights the advantage of using a phase-field model, as it enables the consideration of complex morphologies such as those found in martensitic microstructures