Liens procédé-microstructure-propriétés en traction de l’acier inoxydable austénitique 316L élaboré par fabrication additive

Process-microstructure-tensile properties relationships in the 316L austenitic stainless steel produced by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Léo Monier
• Direction : Muriel Veron, Arthur Despres
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Dendievel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Veron, Benoît Malard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Godet, Julien Zollinger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Acier austénitique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication Additive

Aciers austénitiques

Propriétés mécaniques

Caractérisations structurales fines

Métallurgie

Mechanical properties

Additive Manufacturing

Structural characterization

Austenitic steel

Metallurgy

Résumé

La mise en œuvre d’aciers inoxydables austénitiques 316L par fabrication additive, notamment par fusion laser sur de lit de poudre (LPBF) ou fusion par arc fil (WAAM) présente encore de nombreuses difficultés à la fois au niveau des procédés, des propriétés obtenues et de leur qualification. Il est notamment constaté que (i) la microstructure obtenue présente une certaine variabilité à la composition ; et que (ii) les propriétés en traction sont très différentes de celles de mesurées sur des produits issus de voies d’élaboration plus traditionnelles telles que le coulage et le forgeage. L'amplitude de ces différences peut être considérable, remettant alors en question leur utilisation dans diverses applications (nucléaire notamment) ainsi que la conception même des pièces sur la base de lois de comportement qui n’intègrent pas ces particularités. L'origine des différences de propriétés entre le matériau coulé/forgé et le matériau hérité de la fabrication additive est sa microstructure particulière qui revêt un caractère « hors équilibre » du fait de très grandes vitesses de refroidissement (de l’ordre de 106 °C/s en LPBF) et un caractère anisotrope à cause du caractère directionnel du dépôt. Un premier volet de cette thèse a été consacré à la compréhension de l’origine de cette variabilité de microstructure à la composition. Deux aciers présentant deux microstructures différentes ont été élaborés par le procédé LPBF et leur microstructure a été caractérisée à différentes échelles. Plusieurs hypothèses ont été successivement envisagées et discutées pour déterminer l’origine de cette variabilité microstructurale. Il est probable que cette variabilité provienne d’une différence de phases primaire lors de la solidification, d’une solidification en austénite à une solidification en ferrite suivie d’une transformation de phase dite massive. Un second volet s’attache à dissocier l’effet des différents éléments microstructuraux (contraintes résiduelles, microségrégations, organisation des dislocations) sur les propriétés en traction. Des traitements thermiques ont été réalisés sur les deux aciers de manière à pouvoir mieux dissocier l’effet de différents éléments de la microstructure. Des essais de traction sur plusieurs orientations de fabrication ont été menés. Pour mieux appréhender la loi de comportement de l’acier 316L hérité du LPBF, un modèle de Kocks-Mecking modifié intégrant l’effet de la taille des grains et du maclage a été utilisé. Il est montré que les paramètres décrivant la plasticité d’un état recristallisé peuvent décrire la plasticité de l’acier élaboré par LPBF, malgré les différences importantes de microstructure. Un troisième volet s’attache à la compréhension de la microstructure du 316L élaboré par WAAM ainsi que de son évolution avec les traitements thermiques. Cette évolution est hétérogène au sein du matériau. Sur la base des résultats de ce travail de thèse, des recommandations industrielles pour contrôler la microstructure et les propriétés mécaniques associées via un contrôle de la composition nominale et l'optimisation des traitements thermiques post-fabrication sont proposées.

Additive manufacturing of austenitic stainless steels using laser powder bed fusion (LPBF) or wire arc melting (WAAM) processes still presents a number of difficulties in terms of processes, resulting properties, and qualification. In particular, (i) the microstructure obtained shows a variability to slight changes in nominal composition, and (ii) the tensile properties differ strongly in comparison with their wrought counterparts. The magnitude of these differences can be considerable, questioning its use in a large variety of applications such as the nuclear industry and the design of parts based on constitutive laws that do not include those differences. The origin of these changes in properties is attributed to the directional nature of the fabrication as well as from the out-of-equilibrium nature of the microstructure inherited from LPBF due to high cooling rates (in the order of 106 °C/s). The first part of this thesis is devoted to understanding the origin of this variability in microstructure to slight changes in nominal composition. To this end, two 316L steels with different microstructures were produced using LPBF, and their microstructures were characterized at different scales. It is likely that this variability is due to a difference in the primary phase during solidification, from austenite solidification to ferrite solidification followed by a massive phase transformation. The second part of the project focuses on the impact of different microstructural characteristics (residual stresses, microsegregation, organization of the dislocation network) on the tensile properties. To this end, heat treatments were designed to help discriminate the role of each of those microstructural characteristics. Those heat treatments were carried out on both steels, and tensile tests in several loading directions were performed. To model the mechanical response of the 316L steel inherited from LPBF, a modified Kocks-Meccking model including the effect of grain size and twinning was employed. It is shown that the parameters describing the strain hardening of a recrystallized state can describe the plasticity of the materials fabricated by LPBF despite significant differences in the microstructure. A third section focuses on the understanding of the microstructure of the 316L steel inherited from WAAM and its evolution with heat treatments. This evolution is heterogeneous within the material. Based on the results of this Ph.D. thesis, industrial recommendations for controlling the microstructure and the corresponding mechanical properties through close control of the nominal composition and optimization of post-fabrication heat treatments are proposed.