Intégration de capteurs luminescents dans des pièces d'acier inoxydable 316L par fusion laser sur lit de poudre

Embedding of luminescent sensors within 316L stainless steel parts by laser powder bed fusion

• Auteur / Autrice : Christina Baslari
• Direction : Rachid Mahiou
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie des matériaux, nanomatériaux et procédés
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Fondamentales
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand

Mots clés

Mots clés libres

Luminophores

Capteurs

Fabrication additive

Acier inoxydable 316L

YAG:Ce

Marqueurs de corrosion

Phosphors

Sensors

Additive manufacturing

316L stainless steel

YAG:Ce

Corrosion monitoring

Résumé

Dans des secteurs de pointe tels que l'industrie nucléaire, où les pièces métalliques sont exposées à des conditions extrêmes susceptibles de provoquer leur défaillance prématurée, des opérations de maintenance régulières sont indispensables pour garantir un fonctionnement optimal. Ces interventions sont coûteuses, chronophages et peuvent entraîner des interruptions temporaires des installations. De plus, par précaution, les composants sont souvent remplacés avant leur fin de vie, ce qui accentue la demande en pièces de rechange. Dans une démarche d'économie circulaire et d'éco-conception, il est impératif de développer des nouvelles solutions pour prolonger la durée d'utilisation des composants métalliques, répondant ainsi aux enjeux environnementaux, sécuritaires et économiques tout en assurant une gestion intelligente des maintenances. Une approche pour relever ces défis implique l'acquisition de données en temps réel afin de suivre l'évolution de la dégradation des composants durant leur utilisation. Les travaux de cette thèse se focalisent sur le développement de couches métalliques avec des propriétés optiques, en intégrant des capteurs luminescents de type Y3Al5O12 :Ce (YAG :Ce) dans des pièces d'acier inoxydable 316L par le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF). Incorporés à des emplacements stratégiques de la pièce, ces luminophores permettront de surveiller l'évolution de la dégradation du matériau grâce à la détection et l'analyse de la luminescence. Le procédé de fabrication additive L-PBF a permis de développer avec succès ces matériaux, en intégrant des sondes luminescentes dans des zones spécifiques sans interrompre le cycle de fabrication de la pièce ni implémenter des étapes de post-traitement supplémentaires. Une étude approfondie des paramètres du procédé est menée pour optimiser la fabrication des couches métalliques intégrant des luminophores. Ces paramètres jouent un rôle déterminant en influençant le taux, la taille, la morphologie et la réponse spectrale des précipités luminescents. La caractérisation du matériau après fabrication révèle que le YAG:Ce subit des modifications structurales, qui, combinées aux interactions avec la matrice métallique, changent les caractéristiques spectrales et la dynamique de la luminescence après fabrication. Enfin, le comportement des capteurs luminescents intégrés dans le 316L L-PBF a été testé dans un environnement nitrique pour évaluer leur efficacité en tant que marqueurs de corrosion. La morphologie de la corrosion dépend des stratégies paramétriques d'insertion et de la teneur en marqueurs. Ces leviers permettent d'incorporer les sondes luminescentes tout en minimisant leur impact sur la matrice métallique.

In high-tech industries such as the nuclear sector, metal parts are subjected to harsh conditions that can lead to their premature failure. Regular maintenance operations are therefore essential to ensure optimal function. These interventions are costly, time-consuming and can result to temporary plant shutdowns. Additionally, as a precautionary measure, components are often replaced before reaching the end of their service life, thereby increasing the demand for spare parts. In a circular economy and eco-design approach, it is crucial to develop new solutions that extend the service life of metal components. A key strategy in addressing these challenges includes acquiring real-time data to monitor the progressive degradation of components in operation. This thesis focuses on the development of metal layers with optical properties, by integrating luminescent Y3Al5O12:Ce (YAG :Ce) sensors into 316L stainless steel parts using laser powder bed fusion (L-PBF) process. Material loss will be monitored over time during part operation by detecting and analyzing the luminescence. The L-PBF process has enabled the successful development of these materials by integrating the luminescent probes into specific areas without disrupting the part manufacturing cycle or requiring additional post-processing steps. An in-depth study of process parameters is being conducted to optimize the manufacturing of metal layers incorporating phosphors. These parameters play a decisive role in governing the rate, size, morphology and spectral response of luminescent precipitates. Characterization of the material reveals that YAG:Ce undergoes structural changes. These modifications, along with the interactions with the metal matrix, alter the spectral characteristics and luminescence dynamics. Finally, luminescent sensors embedded into 316L L-PBF were tested in a nitric media to assess their efficacy as corrosion markers. Corrosion morphology depends on parametric insertion strategies and marker content. These factors allow for minimizing their impact on the metal matrix.