Durabilité tribologique de matériaux pour insert de dents de tunnelier

Increased cutter tools lifetime for tunneling : tribological durability of WC carbide inserts used on TBM's drag bits

• Auteur / Autrice : Ousseini Marou Alzouma
• Direction : Philippe Kapsa, Vincent Fridrici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2015
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Hédi Hamdi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renno Veinthal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Denape, Agnès Fabre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbure de tungstène

Usure (mécanique)

Tunnels -- Conception et construction

Mots clés libres

Abrasion

Carbure de tungstène

Dents de tunnelier

Insert

Frittage

Liant métallique

Cobalt

Nickel

Matériau dur

Abrasion

Tungsten carbide

Drag bit

Tunnel boring machine

TBM

Insert

Sintering

Metallic binder

Cobalt

Nickel

Hard material

Résumé

La fréquence des opérations de maintenance lors de l’excavation du sol par les tunneliers est problématique pour les entreprises de travaux publics. Ces opérations de maintenance engendrent des temps morts onéreux et nécessitent l'intervention d'opérateurs dans des conditions de travail hyperbares. Une des raisons aux nombreuses interventions humaines pour la maintenance est l’endommagement des outils racleurs du sol excavé (dents) qui sont placés sur la tête du tunnelier. Ces outils sont sujets à l’usure compte tenu de l’abrasivité des différents milieux qu’ils rencontrent. Le but de cette thèse est de contribuer à augmenter d’au moins 20% la durée de vie des matériaux constitutifs de ces outils, afin de réduire les différentes opérations de maintenance qui exposent les opérateurs à des risques importants. Pour atteindre cet objectif, les investigations menées dans ce travail ont porté sur plusieurs axes. Dans un premier temps, une expertise est menée pour identifier les modes d’endommagement prédominants sur les inserts à base de carbure de tungstène placés sur les dents ; ensuite, de nouveaux matériaux avec des propriétés mécaniques et des microstructures optimisées, développés dans le cadre du projet européen NeTTUN, sont caractérisés sur des bancs d’essais représentatifs. Ces essais ont permis de bien comprendre les mécanismes d’usure des nouveaux matériaux à base de carbure de tungstène. Les résultats de ce travail peuvent ensuite donner lieu à de nouvelles orientations en matière de choix de matériaux pour renforcer les dents de tunnelier.

The frequency of maintenance operations during the excavation of the ground by the tunnel boring machines (TBM) is problematic for civil engineering companies. These maintenance operations provoke expensive timeouts and they bring in excavation operators in risky hyperbaric work conditions. One of the reasons which leads to the numerous human interventions for the maintenance is the damage of drag bits located on the cutting wheel of the TBM. These drag bits undergo wear due to the abrasiveness of the various media they meet. The purpose of this thesis is to contribute to increase by 20 % at least the lifetime of the materials of the dag bits, in order to reduce the various maintenance operations which expose the operators to important risks. To achieve this goal, the investigations led in this work concerned several axes. At first, an expertise is led to identify the wear modes prevailing on the carbide inserts located on the drag bits; then, new materials with enhanced mechanical properties and optimized microstructures, developed in the framework of the European project NeTTUN, are characterized on representative lab testing devices. These tests allowed us to understand well the wear mechanisms of the newly developed grades of tungsten carbides. The results of this work can lead to new strategies for the selection of materials to reinforce the drag bits.