Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay

Synthèse, Propriétés & Modélisation des Matériaux - SP2M

Microstructure et Propriétés

 

 

PROPOSITION DE THESE

 


Projet de recherche thèse CIFRE

Rechargement par laser cladding de moules pour verrerie
Etude du comportement métallurgique et de l’endommagement

 

 

SOMMAIRE

 

1. CONTEXTE INDUSTRIEL
2. CONTEXTE SCIENTIFIQUE
2.1. Revêtement par laser cladding de substrats de bronze (ou de cuivre)
2.2. Revêtement par laser cladding de substrats de fontes et d’aciers
2.3. Les transformations de phases
2.4. Simulation par éléments finis, contraintes résiduelles et fissuration
3. PROJET DE THESE
3.1. Sujet de thèse
3.2. Etapes de déroulement de la thèse
3.2.1. WP1 : Approvisionnement matière
3.2.2. WP2 : Caractérisation des rechargements
3.2.2.1. Analyse de la microstructure du rechargement
3.2.2.2. Analyse chimique du rechargement
3.2.2.3. Analyse mécanique du rechargement
3.2.3. WP3 : Modélisation et contraintes résiduelles
3.2.4. WP4 : Elaboration d’un moule optimisé et test du prototype
3.3. Planning du projet
3.4. Personnes impliquées

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES


1. CONTEXTE INDUSTRIEL

La société CHPOLANSKY est une PME de 130 personnes implantée à Marcoussis (91) à quelques kilomètres de l’université Paris-Sud, avec laquelle elle souhaite collaborer afin de développer l’une de ces principales activités industrielles, i.e. le rechargement par laser (laser cladding) de certaines zones fortement contraintes (abrasion, thermique, …) de matériaux spécifiquement utilisés pour la fabrication de moules pour l’industrie verrière.

Le processus de fabrication d’une bouteille consiste à injecter du verre visqueux (700-1200°C) à l’intérieur de moules en bronze, en fonte ou en acier sachant qu’ils servent aussi d’échangeurs thermiques pendant le cycle de fabrication. La problématique verrière apparaît au cours du moulage puisqu’une abrasion et une oxydation se produisent sur certaines parties sensibles du moule, ainsi qu’une fatigue thermique due aux contraintes du cycle de moulage [Falipou, 1998]. Cette dégradation de surface est bien sûr liée d’une part à l’effet de l’abrasion par le verre et d’autre part à l’endommagement de couches d'oxydes activées par la température moyenne (environ 500°C) et le cyclage thermique dû aux contacts répétés avec le verre. De ce fait, les moules doivent subir un traitement spécifique (rechargement à l’aide d’un matériau à hautes propriétés adaptées) au niveau de leurs parties sensibles (arêtes, …) dès leur réalisation et/ou au cours d’opérations de maintenance.

Le rechargement est une technique qui consiste à revêtir une pièce d'un matériau d’apport possédant des propriétés spécifiques. Les deux principales techniques de rechargement sont le rechargement par soudage et par projection. Le rechargement par soudage s’appuie sur des techniques classiques de types TIG, MIG, … Le rechargement thermique par projection permet de réaliser un revêtement de surface. Il consiste en la projection de fines particules (typiquement 5 à 100 micromètres) grâce à un gaz vecteur servant à les accélérer et à les transporter jusqu'au substrat. L'accumulation des particules chauffées et fondues sur le substrat permet de réaliser le revêtement.
C’est cette dernière technique de rechargement qui fait l’objet de la présente étude liée à l’augmentation de la durée de vie des moules pour applications verrières.

Les arêtes des moules sont rechargées pour garantir des « coutures » peu visibles et pour ralentir l’endommagement lié à la fatigue thermique. Les zones de rechargement visées sont les surfaces en contact avec le verre chaud, plus particulièrement la couture plan de joint, la bague et le col.

Le rôle du moule est donc de conférer à la bouteille en verre une forme précise dotée d'un aspect de surface déterminé. De surcroît, le moule doit permettre une vitrification optimale, ce qui passe par un refroidissement efficace de la bouteille. Pour ce faire, les verriers ont recours à des systèmes de ventilation du moule de diverses complexités. Mais, les propriétés thermiques du matériau constituant le moule jouent également un rôle capital à ce niveau. En effet, ce dernier doit posséder une bonne conductivité thermique pour que la surface métallique en contact avec le verre ne subisse pas un échauffement trop important pouvant se traduire par du collage. Il doit aussi posséder une forte capacité calorifique pour que cette paroi ne soit pas trop froide au moment du contact sous peine de voir apparaître des glaçures (défaut verrier correspondant à des fissures initiées à partir de la surface).

Actuellement, le rechargement d’une pièce métallique peut être réalisé à l’aide de 3 techniques distinctes bien connues :
- Le chalumeau à poudre (CP) : cette technique est la plus ancienne et pose des problèmes de conditions de travail, de santé et donne des résultats aléatoires.
- Le procédé TIG (Tungsten Inert Gas) : ce procédé, qui utilise des baguettes, est coûteux et peu adapté au rechargement des moules de l’industrie verrière.
- La technique Plasma, Transféré d’Arc (PTA) : cette technique est actuellement privilégiée dans l’industrie verrière, malgré sa difficulté de mise en œuvre et son manque de reproductibilité [Falipou, 1998].

Avec les procédés de rechargement actuels (CP, TIG et PTA), les coutures rechargées créent une Zone Affectée Thermiquement (ZAT) et une Zone Mixte (ZM) (alliage constitué des éléments chimiques appartenant au substrat et au métal d’apport) importantes. En conséquence, le cordon rechargé est plus volumineux et les qualités d’homogénéité thermique du moule sont affectées et le verre étant refroidi de manière hétérogène, il s’en suit une variation importante de son épaisseur au niveau des zones de rechargement. Par exemple, l’épaisseur du verre est discontinue à l’aplomb de la couture du plan de joint (jusqu’à 2 fois plus faible) [Aboud, 2014]. Ceci conduit bien sûr à une fragilité de la bouteille et pour palier à ce problème, la quantité de verre utilisée doit être augmentée avec les enjeux économiques associés (consommation de matériau d’apport et d’énergie, transports, coût à la consommation…..).

Afin d’homogénéiser la thermique des moules et d’alléger le poids des bouteilles, en 2010, les Etablissements CHPOLANSKY se sont intéressés à la technique de rechargement par laser, connue dans différentes industries, mais pas mise en œuvre concrètement pour les moules de verrerie.
Les résultats obtenus lors d’une pré-étude ont montré la faisabilité et l’intérêt du procédé laser et ont incité l’entreprise à créer une cellule de rechargement laser dédiée à la verrerie au sein de leurs locaux (investissement 1M€) et à embaucher un ingénieur qui est chargé de la conduite du projet laser.
Le procédé laser assure un gain de matière première et la maîtrise d'une dépose rapide avec un temps de réalisation divisé par 3 par rapport à la méthode PTA. Par ailleurs, l’utilisation de la technique laser permet de procéder au rechargement des moules, à différents stades de la fabrication, et de déposer la quantité juste nécessaire de poudre (pour un moule au PTA 400 grs, au laser 50 grs).
La technicité laser permet aussi de réduire la ZAT et la ZM jusqu’à des épaisseurs très faibles qui favorise le maintien des propriétés thermiques du moule.

C’est ainsi qu’en 2011 une demande de brevet a été déposée. La recherche d'antériorité, effectuée au cours de l'année 2012, a démontré que l'utilisation du procédé laser pour le dépôt de cordons sur les moules verriers, n'avait fait l'objet d'aucun travaux brevetés.

Par la suite, une étude paramétrique a été menée par la société CHPOLANSKY à partir de l’observation macroscopique d’un rechargement simple. L’ensemble des paramètres (puissance du faisceau, taille du spot, vitesse d’avance, …) a ainsi pu être approximé mais il n’est pas encore parfaitement optimisé puisqu’une fissuration et un décollement du rechargement sont encore souvent observés. De plus, pour la mise au point du procédé, il convient de tenir compte principalement de trois géométries : un rechargement simple et des rechargements juxtaposés ou superposés. Notons que, par expérience, la superposition de deux rechargements, dans le cas d’une réparation, par exemple, est souvent source de fissuration. Pour garantir à leurs clients un rechargement sans défauts, les Etablissements CHPOLANSKY ont donc besoin de mieux maîtriser les paramètres du process via une analyse fine couplée métallurgique et mécanique.

Les clients des Etablissements CHPOLANSKY utilisent pour la fabrication de leurs moules différents types de bronzes, d’aciers et de fontes. L’objectif final est bien sûr de maîtriser le rechargement laser quel que soit le matériau constituant le substrat. Néanmoins, dans le cadre de cette thèse, seuls trois matériaux seront utilisés : un Bronze-15%Nickel, un acier X16CrNi16 et une fonte lamellaire. Cette dernière représente 70% des utilisations pour les moules verriers et présente une fréquente fissuration lors du rechargement. Les deux autres substrats sont aussi sujets à des phénomènes de propagation de fissures et à un décollement des cordons.
Deux poudres seront utilisées (optimisées par Chpolansky), une à base de nickel et contient, en faibles quantités, les éléments chimiques suivants : Si, Cr, B et Fe plus quelques résiduels [Brevet, 2014] ; l’autre à base de cobalt contenant notamment Ni, Cr, B, W et Si. Leur fusion avec le métal du substrat peut générer de nouvelles phases intermétalliques dont certaines sont probablement propices à la formation de fissures. De fait, les champs de température doivent être optimisés compte tenu des phases en présence. Par ailleurs, une étude empirique au sein de l’entreprise a montré que la granulométrie de la poudre joue un rôle important sur la fissuration et sa taille moyenne a d’ores et déjà été optimisée [Aboud, 2014].
Les trois couples substrat-poudre suivants seront retenus pour la thèse : Acier-Co, Bronze-Ni et Fonte-Ni.

Pour conclure, l’objectif industriel consiste à lever les verrous technologiques suivants :
- Eliminer toute apparition de porosité sur les dépôts effectués,
- Eviter l’apparition de fissuration,
- Avoir une accroche parfaite du métal d'apport sur le substrat (validation de cette accroche à l'usinage du moule et lors de son passage en production).
Pour ce faire, on optimisera les paramètres process (diamètre du spot, puissance du laser, vitesse de déplacement, débit de poudre, …) pour effectuer des rechargements rectilignes et courbés de qualité sur un bronze, une fonte et un acier.

Pour atteindre ces objectifs, une analyse fine de la microstructure et de l’état de contraintes résiduelles au sein des rechargements sera développée à l’ICMMO afin de comprendre les mécanismes d’endommagement et donc de supprimer les défauts.

 

2. CONTEXTE SCIENTIFIQUE

Les différents paramètres process ont une influence sur les évolutions microstructurales qui elles-mêmes sont à l’origine des contraintes résiduelles via, par exemple, le champ de température généré lors du laser cladding. Notons qu’il existe une très grande bibliographie sur le laser cladding [Toyserkani, 2005], mais ces études sont souvent spécifiques à un matériau donné pour le substrat et à des poudres particulières. A partir du moment où le couple matériau/poudre évolue, les évolutions métallurgiques sont de nouveau à étudier et il est nécessaire d’adapter les conditions du process afin d’obtenir les meilleures qualités de dépôts.

2.1. Revêtement par laser cladding de substrats de bronze (ou de cuivre)

Peu d’études se sont intéressées au laser cladding sur un substrat de bronze. On peut citer les travaux de Wang et Xue [Wang, 2005] qui ont utilisé une poudre de W-Cu. Les poudres de tungstène ont rendu le revêtement de piètre qualité à cause de la ségrégation du tungstène engendrant une forte hétérogénéité chimique. La tenue métallurgique du revêtement sur son substrat était alors limitée. Des pistes d’enrichissement des poudres de W-Cu en nickel semblent être à l’étude.
Au contraire, plusieurs études ont été dédiées aux substrats d’Al-Bronze, Ni-Al-Bronze, … A titre d’exemple, on peut citer les travaux de Xu et al. [Xu, 2011] et de Bennett et Hyatt [Bennett, 2003]. Ces deux études décrivent les évolutions microstructurales en fonction des variations thermiques lors du rechargement et montrent que le laser cladding améliore notablement la résistance à l’usure des substrats.
Pour ce qui concerne le revêtement de substrats en cuivre pur, des études ont montré l’efficacité d’utiliser le laser cladding avec des poudres à base de Co et de Ni afin d’augmenter la résistance au frottement des substrats de cuivre [Yan, 2010 ; Yan, 2012 ; Liu 2010].

2.2. Revêtement par laser cladding de substrats de fontes et d’aciers

En ce qui concerne la fonte, on trouve quelques travaux sur les fontes grises. Tong et al. [Tong, 2010] ont utilisé différentes poudres à base de Fe, Ni ou Co et ont montré que les échantillons traités avec le Co avaient la meilleure résistance à la fatigue thermique. Ce résultat a été attribué au fait que les contraintes résiduelles dans les dépôts étaient réduites car le cobalt a un coefficient de dilatation thermique proche de celui de la fonte utilisée comme substrat. Par ailleurs, les revêtements à base de NiCrBSi se sont révélés concluant sur la fonte grise [Fernandez, 2005]. Une étude de la précipitation a montré des zones de ségrégation de Ni et/ou de Cr dans les zones de chevauchement entre les différents cordons. Même si les dépôts étaient de bonne qualité à l’issue de l’élaboration, une fissuration est apparue au cours de leur vieillissement. Ces fissures ont été attribuées à la présence de contraintes internes dans les dépôts sans que celles-ci n’aient été mesurées. Par ailleurs, Golkovskii et al. [Golkovskii, 2014] ont montré qu’il était possible de durcir la surface de la fonte traitée par laser cladding en effectuant une trempe du dépôt puis un recuit. Cette technique, bien qu’améliorant la résistance à l’usure des revêtements, engendre de la fissuration. Ocelik et al. [Ocelik, 2007] ont établi une carte d’utilisation du laser cladding sur fonte grise, en termes de puissance du laser, vitesse d’avance et hauteur du dépôt. On peut retenir qu’il est préférable de limiter les épaisseurs de dépôt à 3 mm pour éviter la fissuration. Enfin, Li et Liu [Li, 2010] ont réalisé un dépôt d’alliage à base de Ni sur de la fonte ductile afin d’étudier la fissuration en fonction des paramètres du procédé. Ils ont notamment montré que le nombre de fissures augmente avec la puissance du laser mais aussi avec la vitesse de déplacement du laser.
Pour ce qui concerne l’acier, certaines études montrent l’effet bénéfique d’un revêtement par laser cladding dans l’objectif d’améliorer la résistance à la corrosion [Zhang 2015], d’autres testent l’impact d’un préchauffage du substrat avant rechargement [Lestan 2013]. Les résultats dépendent des aciers, mais en règle générale le préchauffage réduit les risques de fissuration. Les aciers matensitiques, quant à eux, sont sujets à des transformations de phases dépendantes de la vitesse de refroidissement locale et donc de la vitesse d’avance du laser [Hemmati 2011 ; Kurz 1994]. Contrairement à ce qui est connu pour les alliages à durcissement par précipitation, lorsque la vitesse de cladding augmente, la dureté du rechargement diminue suite à une modification microstructurale locale.

2.3. Les transformations de phases

La prise en compte des transformations de phases est capitale. Ces dernières peuvent être simulées à l’aide du logiciel Thermo-Calc. A titre d’exemple, on peut citer les travaux de Lei et al. [Lei, 2012 ; Lei, 2013 ; Lei, 2015]. Ainsi, en 2012, ces auteurs ont calculé les fractions de phases intermétalliques, leur composition et les transformations à différentes températures correspondantes à un dépôt d’Al-Si sur un alliage de magnésium. Les auteurs ont pu valider les évolutions structurales calculées par l’expérience. Les transformations de phases peuvent évidemment être associées à un changement de volume et être à l’origine de contraintes résiduelles comme le montrent Cottam et al. [Cottam, 2014] d’où l’importance de ne pas les négliger pour mieux maîtriser la fissuration.

2.4. Simulation par éléments finis, contraintes résiduelles et fissuration

De nombreux auteurs tels que Li et Liu [Li, 2010] ont montré que la simulation par éléments finis pouvait aider à la prédiction des fissures dans le cas d’un rechargement par laser cladding. L’ensemble des travaux se focalise sur le calcul des contraintes résiduelles issues du process car elles sont susceptibles d’amorcer les fissures dans les dépôts et/ou aux interfaces dépôt/substrat. Ces contraintes sont essentiellement d’origine thermique compte tenu de la différence des coefficients de dilatation thermique entre le cordon et le substrat puisque les matériaux en présence subissent des cycles de chauffage, parfois des transformations de phases, puis de refroidissement. La complexité des évolutions thermiques au cours du process a donc mené les chercheurs à effectuer des simulations par éléments finis. Pour obtenir la distribution des champs de température et de contraintes résiduelles, les auteurs utilisent souvent les fonctionnalités de logiciels commerciaux, comme ANSYS ou ABAQUS [Nickel, 2001 ; Zhao, 2009 ; Farahmand, 2014].

Pinkerton [Pinkerton, 2015] a publié un état de l’art sur la simulation dans le domaine du laser cladding. On y trouve notamment des simulations de champs de température, de contraintes et de microstructures.
Hua et al. [Hua, 2014] ont également utilisé une simulation par éléments finis tridimensionnelle dans le cas du rechargement d’un alliage de nickel sur un acier. Ils ont ainsi pu déterminer les distributions de température et de contraintes résiduelles et la profondeur de la ZAT. Cette étude a également permis d’optimiser les paramètres du process. Notons que les auteurs ont proposé un nouveau critère reliant la contrainte résiduelle de traction maximale à la résistance à la rupture du substrat. Ce critère a servi à optimiser les paramètres d’élaboration.
On peut également citer aussi les travaux Farahmand et Kavacevic [Farahmand, 2014] qui permettent de visualiser, via le logiciel ANSYS, les fortes contraintes thermiques résiduelles dans les zones de chevauchement des cordons ainsi que dans la zone d’interface entre le dépôt et le substrat. Ces parties fortement contraintes sont susceptibles d’entrainer la propagation des fissures lors du laser cladding. Ces auteurs ont montré que les contraintes internes augmentaient lorsque la vitesse d’avance du laser diminuait.
En résumé, en ce qui concerne la genèse des contraintes résiduelles, les quelques conclusions suivantes émergent des travaux de simulation : la géométrie du dépôt laser (linéaire, circulaire,…) a une influence sur les contraintes internes [Nickel, 2001]. Le préchauffage des substrats est bénéfique car il diminue les contraintes résiduelles [Jendrzejewski, 2004]. Les contraintes longitudinales sont bien plus importantes que les contraintes transversales dans les configurations de multi-dépôts juxtaposés, ce qui expliquent la présence de fissures transversales dans les dépôts. Elles atteignent leur maximum à l’interface dépôt/substrat [Zhao, 2009]. La puissance du laser ne doit pas être trop importante sous peine de créer des fissures [Li, 2010]. Un résultat reste néanmoins controversé : l’augmentation de la vitesse d’avance du laser est parfois décrite comme néfaste pour la fissuration [Li, 2010] alors que d’autres simulations y associent une diminution des contraintes résiduelles [Farahmand, 2014]. A ce stade, des études expérimentales sont nécessaires. Celle de Wang et al. [Wang, 2003] montre par exemple pour des substrats d’Al-Si que la résistance du dépôt (cohésion avec le substrat) passe par un maximum lorsque la vitesse de dépôt augmente pour ensuite décroître de nouveau lorsqu’on persiste à augmenter la vitesse.
Ainsi, même si les résultats concernant la simulation du laser cladding semblent prometteurs, l’état de l’art sur la simulation proposé par Pinkerton mentionne bien que les travaux nécessitent d’être complétés et approfondis [Pinkerton, 2015].


3. PROJET DE THESE

3.1. Sujet de thèse

Le sujet de thèse concerne le rechargement par laser cladding de moules en bronze ou en fonte pour l’industrie du verre en utilisant soit une poudre à base de nickel soit à base de cobalt. L’étude portera sur des rechargements rectilignes et courbés. Il s’agit, via une étude métallurgique et de l’endommagement, d’optimiser les paramètres du process afin d’éviter l’apparition de défauts (fissuration, collage, porosités, …).

3.2. Etapes de déroulement de la thèsee

3.2.1. WP1 : Approvisionnement matière

L’étudiant T. Ndzana travaille actuellement (février – juillet 2015) pour les établissements CHPOLANSKY dans le cadre de son stage de M2R qui a lieu à l’ICMMO, Université Paris-Sud. Il est donc formé à la technique de laser cladding et pourra, de fait, être opérationnel dès le début de sa thèse pour élaborer des rechargements selon un plan d’expérience faisant varier les paramètres process, sachant que le laser est disponible pour la recherche initiée sur ce procédé. Des cartographies d’existence de défauts macroscopiques de type fissuration, porosité, collage seront établies en fonction des paramètres process, d’une part, et une d’analyse statistique sera menée sur l’influence de ces paramètres sur la géométrie des cordons en fonction de la surface de rechargement d’autre part.
L’analyse statistique [Sun, 2012 ; Liu, 2014 ; Lin, 2015 ; Cheikh, 2012 ; Zhang, 2012 ; Ocelik, 2014] pour être menée en tout début de thèse en utilisant les données déjà collectées depuis plusieurs années dans l’entreprise Chpolansky. Cette méthode permettra d’étudier la géométrie des cordons en fonction de l’ensemble des paramètres process et ainsi de prédire le facteur de dilution pour aider à trouver une bonne combinaison paramétrique. La technique est basée sur la méthode d’analyse des variances (ANOVA) [Lipster, 2001].
Cette étude nous permettra à court terme de connaitre la corrélation entre les paramètres process et la géométrie des cordons en fonction de la surface de rechargement (établissement des équations de régression polynomiale de cause à effet) d’une part et éventuellement dans l’analyse et la modélisation des contraintes résiduelles avec le logiciel ANSYS d’autres part.

Techniques utilisées : Méthode ANOVA ; Logiciel Design Expert (logiciel de traitement et d’analyse des données statistiques).

3.2.2. WP2 : Caractérisation des rechargements

La présente étude se focalisera sur trois substrats couramment utilisés dans l’industrie verrière: un Bronze-15%Nickel, un acier X16CrNi16 et une fonte lamellaire. Par ailleurs, deux poudres à base de nickel ou de cobalt seront utilisées, celle-ci étant préconisée par le vendeur de l’outil laser acquis par les établissements CHPOLANSKY.
Pour chaque moule, deux types de rechargements seront étudiés, un rechargement rectiligne pour une arête et un rechargement courbé, pour un col. Dans les deux cas, deux types de géométries chanfreinée et coudée seront étudiés.

3.2.2.1. Analyse de la microstructure du rechargement

La zone mixte (ZM) et la ZAT jouent un rôle essentiel pour l’obtention d’une accroche parfaite du métal d’apport sur le substrat et cela même après usinage. En effet, ce dernier provoque parfois un décollement du rechargement du fait de la présence d’une zone de dilution trop peu épaisse et/ou de la présence de contraintes résiduelles. Ces différents domaines microstructuraux (dépôt, ZM et ZAT) seront délimités géométriquement via des filiations de micro-duretés ainsi que des observations en MEB/EBSD. Ces dernières permettront de visualiser la taille et la forme des grains, sachant que ceux-ci peuvent bien sûr évoluer en fonction des conditions expérimentales. Elles permettront aussi l’identification de l’orientation cristallographique des grains qui peut jouer un rôle sur le comportement mécanique (fissuration intergranulaire,…). Il s’agit ici d’optimiser la microstructure qui évolue en fonction par exemple du champ de température.
Les problèmes de fissuration ou de porosité se rencontrent notamment lorsque des rechargements sont superposés [Zhou, 2015]. Les différents défauts seront donc identifiés (porosité, fissures, collage, …). Leur localisation, leur nombre, leur forme et leur taille seront quantifiés et analysés dans leur environnement microstructural et en regard avec les contraintes résiduelles présentes. Ces différentes caractéristiques seront alors corrélées aux paramètres du process.

Techniques utilisées : Micro-dureté Vickers, MEB/EBSD, EDS.

3.2.2.2. Analyse chimique du rechargement

La fusion de la poudre, associée à celle du substrat, induit des transformations de phases et donc des évolutions microstructurales et peut donc varier la susceptibilité à la fissuration [Luo, 2015].
Une double approche expérimentale et numérique sera utilisée. Les phases en présence seront caractérisées par diffraction des rayons X et par microscopie électronique à balayage (EDS). Dans cette caractérisation, la matrice, mais aussi les éventuelles particules de seconde phase (en microscopie à transmission si cela s’avère nécessaire), seront analysées pour mieux appréhender une possible fissuration.
En parallèle, connaissant à la fois la composition chimique du substrat et celle de la poudre, à l’aide du logiciel Thermocalc, nous simulerons les diagrammes de phases (ou au moins certaines parties en combinant les principaux éléments chimiques de l’alliage formé lors du rechargement. Lei et al. [Lei, 2015] ont utilisé cette approche numérique dans le cas d’un rechargement CrxSy/Ni sur un substrat d’acier.
En comparant, les résultats expérimentaux et numériques, nous pourrons avoir une estimation des températures imposées. Notons que nous envisageons de mesurer ces températures grâce à l’utilisation d’une caméra infra-rouge. Le champ de température étant notamment lié à la puissance du faisceau incident, nous serons donc à même de le maîtriser via un ajustement des paramètres process.

Techniques utilisées : Diffraction des rayons X, MEB/EDS, camera FLIR à haute vitesse, logiciel Thermocalc

3.2.2.3. Analyse mécanique du rechargement

Les contraintes résiduelles dans les rechargements peuvent être liées à la différence de coefficient de dilatation thermique entre le moule et le dépôt, aux transformations de phases dans la matrice et à la formation de particules de seconde phase (point 1) [Cottam, 2014]. Elles peuvent donc générer une fissuration après le laser cladding, pendant la phase d’usinage du cordon ou bien pendant l’utilisation des moules.

Ces contraintes résiduelles seront estimées à partir de mesures de déformations par diffraction des rayons X en 1D ou en 2D (après polissages locaux successifs pour accéder à l’évolution dans l’épaisseur). Les mesures seront réalisées ponctuellement dans différentes zones des rechargements, bien sûr loin d’éventuelles fissures susceptibles de relaxer les contraintes. Des mesures par diffraction des neutrons pourront être également réalisées en volume pour compléter ce travail sur quelques échantillons (notons, que deux des encadrants de ce travail sont collaborateurs extérieurs au laboratoire Léon Brillouin du CEA de Saclay). Par ailleurs, ces analyses seront complétées par des mesures de déformations par la méthode du trou à l’UTT (Troyes).
Sur les aspects mécaniques locaux, nous pourrons être amenés à mesurer la dureté (nano-indentation) des phases intermétalliques identifiées au point 1. En effet, ces derniers sont souvent très fragilisant et doivent être supprimés en ajustant les paramètres process [Bozzi, 2010]. Ces analyses fines pourront être faites à l’Ecole Centrale de Paris qui a un accord-cadre avec l’ICMMO.
Ces différentes analyses mécaniques couplées à celles de la microstructure devraient permettre d’éviter tout phénomène de fissuration.

Techniques utilisées : Nano-dureté Vickers, diffraction des rayons X et des neutrons, logiciel ANSYS.

3.2.3. WP3 : Modélisation des contraintes résiduelles d’origine thermique

L’analyse mécanique expérimentale sera couplée à une simulation numérique des champs de déformations et de contraintes à l’aide du logiciel ANSYS couramment utilisé par les enseignants-chercheurs du laboratoire notamment dans le cadre de leurs enseignements.

A partir de la mesure de champs thermiques à l’aide d’une caméra, des études numériques seront menées afin d’évaluer la distribution des contraintes résiduelles dans le cordon (zone fondue (ZF), ZAT) et dans le substrat (ZM). Le logiciel ANSYS sera utilisé et les deux géométries de rechargements seront étudiés (rectiligne et courbé) en se basant sur la différence de dilatation thermique entre les différents matériaux lors d’un refroidissement.

En effet, dans le cas du laser cladding, les contraintes résiduelles sont essentiellement générées par l’effet thermique [Toyserkani, 2005 ; Majumdar, 2013]. L’effet de la solidification et de l’éventuelle précipitation contribue peu au développement des contraintes résiduelles après l’interaction laser-matière [Hetnarski, 2009 ; Sestak, 2013]. En se focalisant sur le processus de refroidissement et en analysant l’interaction des différentes zones (ZF, ZAT, ZM et le métal de base) après le laser cladding, on aura donc accès aux champs de contraintes résiduelles. Les propriétés physiques (coefficient de dilatation thermique) et mécaniques (module d’élasticité) seront obtenues à partir de données issues de la littérature.

Finalement, le rôle de la géométrie du rechargement et des paramètres du process sera mis en évidence lors de l’évaluation des champs de contraintes résiduelles. La comparaison expérience/modélisation sera aussi très importante afin de valider le modèle proposé.

Techniques utilisées : logiciel ANSYS

3.2.4. WP4 : Elaboration d’un moule optimisé et test du prototype

A partir des différentes analyses métallurgiques et mécaniques, il sera alors possible de proposer les conditions idéales pour réaliser le rechargement complet (rechargements rectilignes et courbés) de moules en bronze et en fonte. Ces derniers seront alors utilisés dans l’industrie verrière (Veralia) afin de tester leur tenue au cyclage thermique au cours de la fabrication des bouteilles.

3.3. Planning du projet

Dans une première partie, les rechargements rectilignes sur les deux matériaux bronze et fonte seront réalisés avec une poudre à base de nickel. La deuxième étape de la thèse sera dédiée aux rechargements courbés. Grâce aux enseignements tirés de ces premiers travaux, une démarche simplifiée permettra dans la troisième partie l’optimisation des rechargements Acier-Co. A l’issue de cette dernière étape, les conditions de rechargements finales seront appliquées sur des moules prototypes afin d’être testés dans un contexte industriel par St Gobain –Veralia pour la fabrication de bouteilles en verre.

La bibliographie a été réalisée en partie au cours du stage de master 2 de Thierry Ndzana et sera bien sûr poursuivie tout au long de la thèse. Certains points comme la simulation par éléments finis, les transformations de phases,…mériteront bien sûr d’être approfondis.
Des réunions d’avancement sont planifiées tous les trois mois ainsi qu’un rapport écrit tous les 6 mois.

3.4. Personnes impliquées

Thésard : T. Ndzana (cet étudiant a notamment été choisi compte tenu de ses doubles compétences dans le domaine des sciences des matériaux (M1 et M2) et en analyses mathématiques (M2).
Encadrants industriels : M. Rege + C. Aboud
Encadrants universitaires : T. Baudin (DR CNRS), V. Ji (Prof.), A.L. Helbert (MdC – HdR)

D’autres personnes de l’ICMMO seront également impliquées : J. Hoarau pour la préparation des échantillons, P. Ribot pour la diffraction des rayons X, F. Brisset pour la microscopie électronique et I. Drouelle pour la simulation à l’aide du logiciel Thermocalc)

Collaborations éventuelles : CEA Saclay (V. Klosek et M.H. Mathon, diffraction des neutrons), Ecole Centrale de Paris (N. Roubier, nano-indentation), Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes (P. Paillard, caméra IR), UTT (M. François) et Centre technique de Veralia (R. Saulnier).


REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[Aboud, 2014] C. Aboud et M. Rege, Rechargement par technique Laser de surfaces Métalliques en fonte ou en Bronze, Rapport interne Etablissements Chpolansky (2014).

[Benett, 2003] J.C. Bennett, and C.V. Hyatt, Transmission electron microscopy of martensitic phases formed in laser welded nickel aluminum bronze alloys, Journal de Physique IV, 112, 619-622 (2003).

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