Évolutions microstructurale de dépôts épais d'acier inoxydable austénitique 316L obtenus par projection dynamique par gaz froids ("cold spray") sous l'effet d'un traitement thermique ; conséquences sur les propriétés d'usage

par Laury-hann Brassart

Projet de thèse en Sciences et génie des matériaux

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , MAT-Surface Interface Procédés - SIP (equipe de recherche) et de MINES ParisTech (établissement opérateur d'inscription) depuis le 02-01-2019 .


  • Résumé

    Dans les industries nucléaire et navale, à cause de sévères sollicitations en service, certains composants sont sujets à dégradation. La solution de la réparation sur site s'impose parfois comme étant la plus adaptée, notamment dans le cas de composants complexes et difficilement remplaçables. Pour ce faire, l'utilisation de la projection dynamique par gaz froid, dite « cold spray », est particulièrement prometteuse car, étant un procédé à l'état solide, elle permet d'éviter la formation d'une zone affectée thermiquement. Cependant, l'impact successif des particules projetées sur le substrat à des vitesses supersoniques engendre une forte déformation des particules et un écrouissage sévère des zones impactées. Ceci génère des dépôts possédant une microstructure instable à l'état brut de projection. De plus, si une forte épaisseur de dépôts est visée, l'accumulation des contraintes résiduelles peut entraîner l'amorçage de fissures au sein du dépôt ou à son interface avec le substrat. Ce travail de thèse repose sur les traitements thermiques des dépôts cold spray d'acier 316L pour l'adaptation de la microstructure du dépôt aux propriétés d'emploi recherchées. Pour ce faire, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de ces traitements, plus particulièrement aux interfaces particule-particule, chef-lieu de l'adhésion des dépôts et zones de concentration de la déformation. La thèse est articulée en trois parties : i) l'analyse microstructurale des dépôts à l'état brut de projection, ii) la mise au point d'un traitement thermique optimal en termes de microstructure et adapté à l'application visée et iii) l'étude de son effet sur les propriétés des dépôts. La mise au point des traitements thermiques est passée par une étude des phénomènes de restauration et de recristallisation mis en jeu notamment par la mise en lumière du chemin de la recristallisation en trois temps, débutant dans les zones des particules en première ligne d'impact durant la projection puis se propageant au cœur des particules pour finalement atteindre l'ensemble du dépôt. L'approche de ces travaux a permis de mieux comprendre la compétition existant entre les différents mécanismes activés thermiquement et a mené à la sélection d'un traitement thermique à cycle court. Ce traitement, de par sa haute vitesse de chauffage et son court temps de maintien, court-circuite les effets néfastes des traitements plus lents (cavitation, précipitation extensive de phases indésirables) et entraîne l'obtention d'une microstructure recristallisée à grains fins. Par la suite, les propriétés mécaniques et de tenue à la corrosion des dépôts ainsi traités ont été étudiées. Il a ainsi été prouvé que ce traitement permettait une restauration considérable de la ductilité et de la résistance à la rupture brutale tout en préservant la résistance à la corrosion. Une solution de réparation de composants 316L par cold spray, reproductible et présentant les propriétés d'usage suffisantes pour l'application visée, a ainsi été identifiée.

  • Titre traduit

    Microstructural evolution of thick austenitic stainless steel 316L coatings obtained by cold spray under the effect of a heat treatment; consequences on the properties of use


  • Résumé

    In the nuclear and naval industries, due to severe stresses in service, some components are subject to degradation. On-site repair is sometimes the most suitable solution, particularly in the case of complex components that are difficult to replace. For this purpose, the use of dynamic cold gas spraying is particularly promising because, being a solid state process, it avoids the formation of a thermally affected zone. However, the successive impact of the sprayed particles on the substrate at supersonic velocities causes a strong deformation of the particles and a severe work hardening of the impacted areas. This results in coatings with an unstable microstructure in the as-sprayed state. Furthermore, if a high thickness of deposits is targeted, the accumulation of residual stresses can lead to the initiation of cracks within the coating or at its interface with the substrate. This thesis work relies on the heat treatment of cold sprayed 316L steel coatings to adapt the microstructure of the coating to the desired properties of use. In order to do so, it is necessary to better understand the mechanisms involved in these treatments, more particularly at the particle-particle interfaces, the main site of adhesion of the coatings and the areas of concentration of deformation. The thesis is articulated in three parts: i) the microstructural analysis of the coatings in the as-sprayed state, ii) the development of an optimal heat treatment in terms of microstructure and adapted to the targeted application and iii) the study of its effect on the properties of the coatings. The development of the heat treatments involved a study of the restoration and recrystallisation phenomena involved, in particular by highlighting the three-stage recrystallisation path, starting in the areas of the particles in the first line of impact during spraying, then propagating to the core of the particles and finally reaching the entire coating. The approach of this work allowed a better understanding of the competition between the different thermally activated mechanisms and led to the selection of a short cycle thermal treatment. This treatment, due to its high heating rate and short holding time, bypasses the adverse effects of slower treatments (cavitation, extensive precipitation of undesirable phases) and results in a fine-grained recrystallised microstructure. Subsequently, the mechanical and corrosion properties of the treated deposits were studied. The treatment was shown to significantly restore ductility and fracture toughness while maintaining corrosion resistance. A reproducible cold spray repair solution for 316L components with sufficient serviceability for the intended application was identified.