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

Résumé de la thèse en français

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 à la 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, sièges 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 de 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 existante entre les différents mécanismes activés thermiquement et a mené à la sélection d'un traitement thermique à cycle court. Ce traitement, du fait de sa haute vitesse de chauffage et son court temps de maintien, court-circuite les effets néfastes des traitements plus lents (cavitation, évolution importante 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.

Résumé de la thèse en anglais

In the nuclear and marine industries, some components are subjected to degradation, due to severe in-service conditions. In-site reparation appear to be a suitable solution, especially for complex components, difficult to replace. With this aim in mind, the use of cold gas dynamic spraying, known as “cold spray”, is particularly promising as it is a solid-state process and thus avoids heat-affected zone formation. Yet, successive particle impacts at supersonic velocities on the substrate during projection cause a strong deformation of the particles and severe work hardening of the impacted areas. This generates unstable microstructures in the as-sprayed state. In addition, if a large coating thickness is targeted, residual stresses accumulation can lead to crack initiation and propagation at particle-particle interfaces and/or at the substrate-coating interface. This thesis work is based on 316L cold sprayed coating heat treatment to adapt its microstructure as well as its in-use properties. To do so, it is necessary to better understand the mechanisms involved during these treatments, particularly at the particle-particle interfaces, as they are the main place of coating adhesion and the zones of strain concentration. The thesis is structured in three parts: i) microstructural analysis of as-sprayed coatings; ii) the development of an optimal heat treatment, in regard to microstructure and industrial application; iii) the study of its effect on the coating in-use properties. Heat treatment development involved a study of recovery and recrystallization phenomena, mainly by highlighting the three-stage recrystallization path, starting in the particles areas which are most affected by impacts during spraying, then propagating to the particles core zones and finally reaching the whole coating. This approach has led to a better understanding of the competition between the different thermally activated mechanisms and has led to the selection of a short-cycle treatment. This treatment, due to its high heating rate and short holding time, short-circuits some effects of slower treatments (as cavitation or extensive evolution of undesirable phases), resulting in a fine-grained recrystallized microstructure. Subsequently, the mechanical and corrosion properties of those heat-treated coatings were studied. It was shown that this short-cycle treatment allowed a considerable ductility restoration, while preserving corrosion resistance. A reproducible, with sufficient in-use properties, repair solution for 316L components with cold spray process has been identified.

 

Date de soutenance : mercredi 13 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint Michel, 75272 Paris Cedex 6 – L224
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES
Codirecteur : Jacques BESSON
Co-encadrant : Francesco DELLORO

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Effet des traitements thermomécaniques sur la microstructure d'un alliage de titane Ti2AlNb

Résumé de la thèse en français

Grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques jusqu'à 650 °C et une faible densité, les alliages de composition générique Ti2AlNb sont de bons candidats pour certaines applications aéronautiques. La mise en œuvre de ces alliages, depuis leur élaboration jusqu'à l'obtention, grâce aux traitements thermomécaniques, de la microstructure la mieux adaptée aux applications envisagées, nécessite cependant d'être optimisée avant qu'ils ne puissent être industrialisés. Cette étude a permis d'étudier les mécanismes de restauration et de recristallisation qui gouvernent l'évolution microstructurale d'un alliage Ti2AlNb pendant et après la déformation plastique relative au corroyage dans l'intervalle de température entre 1010 et 1204 °C afin de mieux maîtriser sa mise en forme à haute température. Plusieurs procédés de déformation plastique opérant dans les domaines de température, de vitesse de déformation et de déformation comparables à ceux dans lesquels sont classiquement réalisés les corroyages et la mise en forme industrielle ont été mis en œuvre. L'évolution dynamique de la microstructure a été analysée sur la base d'essais de compression et de torsion suivis par une trempe ; des essais de filage ont permis d'engendrer une première étape de recristallisation post-dynamique de l'alliage. Enfin, des traitements thermiques isothermes post-déformation ont permis d'étudier la recristallisation statique de l'alliage déformé. En caractérisant les microstructures par microscopie optique et par diffraction des électrons retrodiffusés (EBSD) en microscope électronique à balayage, l'effet des paramètres de déformation à haute température sur l'évolution microstructurale a été étudié. La recristallisation dynamique continue conduit à la formation d'une faible fraction volumique de grains recristallisés au voisinage des joints de grains. Une partie de ces grains feront office de germes pour la recristallisation post-dynamique ou pour la recristallisation statique. Les traitements thermiques isothermes post-déformation ont permis d'étudier la cinétique de la recristallisation statique et d'étudier les effets de la taille de grain avant déformation, de la température, et de la vitesse de déformation sur cette cinétique.

Résumé de la thèse en anglais

Due to their excellent properties, especially, high temperature mechanical strength and low density, Ti2AlNb-based alloys are considered as promising materials for rotating parts in aircraft engines. Such properties are obtained through appropriate thermomechanical treatment which should result in optimal microstructure for a specific application. Different stages of thermomechanical treatments of Ti2AlNb alloys are still required to be optimized to guarantee the best alloys performance. Therefore, the understanding of microstructure evolution of Ti2AlNb alloys during high temperature processing is of particular industrial interest.The aim of the present work was to investigate the microstructure changes in a Ti2AlNb alloy induced by high temperature plastic deformation in the temperature range of 1010-1204 °C, in order to further optimize high temperature alloy processing. The dynamic evolution of the microstructure was analysed through compression and torsion tests followed by quenching, and hot extrusion tests were used to generate a first stage of post-dynamic recrystallization of the alloy. Finally, post-deformation isothermal heat treatments were used to study the static recrystallization phenomenon. The microstructure was characterized by means of optical microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD) in scanning electron microscope. The effect of high-temperature deformation parameters on the microstructure evolution was studied. It is revealed that continuous dynamic recrystallization leads to the formation of a low volume fraction of recrystallized grains in the area close to the initial grain boundaries. Some of these grains will further become nuclei for post-dynamic or static recrystallization. Post-deformation isothermal heat treatments allowed to study the kinetics of static recrystallization and to investigate the effect of initial grain size, temperature and strain rate.

Titre anglais : Effect of thermomechanical treatments on microstructure of Ti2AlNb alloy
Date de soutenance : jeudi 20 janvier 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech – Université PSL, 60 Bd Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Vincent MAUREL
Co-encadrant : Loïc NAZE
Co-encadrant : Vladimir ESIN

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