Développement d'une poudre d'acier allié pour la production par fabrication additive par fusion par laser sur lit de poudre de pièces résistantes à l'usure et à l'oxydation à hautes températures

Cette thèse décrit les travaux qui ont mené à la conception d'une nouvelle poudre d'acier fortement allié destinée à des applications nécessitant une excellente résistance à l'usure et à l'oxydation à hautes températures. Pour ces applications, des aciers inoxydables austénitiques présentant une fraction volumique élevée de carbures riches en Cr, Mo et/ou W sont généralement utilisés. Lorsque la performance globale de ces matériaux n'est pas suffisante, des alliages à forte teneur en Co sont utilisés puisqu'ils présentent des résistances à l'usure et à l'oxydation nettement supérieures. Cependant, le coût relatif de l'utilisation des alliages riches en Co est significativement plus élevé que celui des aciers inoxydables austénitiques, c'est pourquoi il existe un besoin réel de trouver des solutions économiquement favorables au remplacement des alliages à forte teneur en Co. La solution proposée et décrite dans cette thèse fait intervenir deux hypothèses principales pour l'amélioration des propriétés d'intérêt des aciers inoxydables austénitiques soit : • Le remplacement partiel des carbures riches en Cr, W et/ou Mo par des carbures de niobium (Nb) afin d'augmenter la dureté de l'acier à hautes températures et d'ainsi augmenter sa résistance à l'usure. • Le remplacement de la couche d'oxyde de Cr protectrice qui se forme naturellement à la surface des aciers inoxydables conventionnels par une couche d'oxyde d'Al offrant une protection supérieure contre l'oxydation à très hautes températures. Le projet se penche sur un type de pièces en particulier, soit les composantes de turbocompresseurs utilisés dans des moteurs au diesel et à l'essence. Les pièces qui composent la section turbine des turbocompresseurs (e.g. douille de soupape de décharge) sont exposées à des températures pouvant atteindre 1000 °C et pour lesquelles le mode de défaillance principal est l'usure excessive causée par un glissement entre les pièces en mouvement. L'approche proposée fait intervenir les procédés de fabrication additive par laser (L-PBF) pour mettre en forme la nouvelle poudre d'acier fortement allié. La poudre AFA6 présente la composition chimique suivante : • Fe – 24 Ni – 20 Cr – 4 Al – 3 Mo – 3 Nb – 1C. Une fois déposé, le nouvel acier présente une densité élevée et une microstructure complètement austénitique contenant une fraction volumique élevée de carbures riches en Cr-Fe-Mo et de carbures riches en Nb. Cette microstructure est toutefois fortement instable dû à la solidification et au refroidissement rapide des bains de fusion lors de l'impression. C'est pourquoi les échantillons imprimés doivent être traités thermiquement avant d'évaluer les propriétés de l'acier AFA6. Un traitement thermique a été développé dans le cadre du projet et consiste en un séjour de 2 heures à 1100 °C suivi de 2 heures à 800 °C afin d'obtenir une microstructure stable pour une utilisation à hautes températures. À la suite du traitement thermique, l'acier AFA6 présente une microstructure austénitique contenant une dispersion de carbures riches en Cr-Fe-Mo, de carbures riches en Nb et d'intermétalliques NiAl. La résistance mécanique en traction de l'acier AFA6 mis en forme par L-PBF et traité thermiquement est supérieure à celle de l'acier austénitique Nitronic 60 à 25 °C, 400 °C et 800 °C. L'allongement à la rupture est cependant inférieur puisque la fraction volumique élevée de phases durcissantes (i.e. carbures et intermétalliques) dans sa microstructure lui confère un comportement relativement fragile. Ce comportement fragile est d'autant plus apparent à la suite d'essais de résistance à l'impact de type Charpy. La résistance à l'usure de l'acier AFA6 à 400 °C est excellente et supérieure à celle d'aciers austénitiques présentement utilisés pour les applications visées. L'acier AFA6 présente une résistance à l'usure similaire à celle d'alliages à forte teneur en Co à 400 °C. À 800 °C, la résistance à l'usure de l'acier AFA6 est similaire à celle d'aciers austénitiques fortement alliés. La résistance à l'usure élevée de l'acier AFA6 est en partie due à la formation d'une couche d'oxyde qui recouvre la surface de glissement et diminue l'usure. De plus, la résistance à l'oxydation de 700 °C à 1000 °C de l'acier AFA6 est supérieure à celle de tous les matériaux hautes températures présentement utilisés pour les applications visées. Cette résistance supérieure est attribuée à la formation d'une couche d'oxyde d'aluminium protectrice à la surface de l'acier dans ces conditions. Le coût des éléments purs qui composent la poudre AFA6 équivaut à celui de poudres d'aciers austénitiques présentement utilisées pour les applications visées, et est 2,5 fois inférieur à celui d'alliages de Co haute performance. D'un point de vue industriel, l'utilisation d'un procédé de fabrication additive flexible, tel que le placage laser, permettrait une meilleure pénétration de la solution proposée. L'évaluation de la mise en forme de la poudre AFA6 par ce procédé est détaillée dans le cadre d'un projet en partenariat industriel faisant suite au projet décrit dans cette thèse.