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.

Abstract

This document presents the scientific work that led to the development of a new highly alloyed steel powder for applications that require excellent wear resistance and oxidation resistance at high temperatures. Alloyed austenitic stainless steels are commonly used for these applications. The microstructure of these materials contains a large amount of alloyed carbides rich in either Cr, W, and/or Mo to increase their resistance to sliding wear. In the most extreme conditions, Co-based alloys are preferred as they show tremendous resistance to wear and oxidation at high temperatures. The relative cost of using Co-based alloys can however be prohibitive and extensive research effort is put into developing cost-effective alternatives to Co-based materials. The solution that is proposed and described in this thesis is based on two main hypotheses to increase the properties of austenitic stainless steels: • Alloying the steel with Nb to partially replace the Cr, W and/or Mo carbides with Nb carbides that are harder at high temperatures. This should increase the overall wear resistance. • Alloying the steel with Al to replace the naturally forming Cr2O3 layer by an Al2O3 layer which offers greater protection against oxidation at high temperatures. The targeted applications for the powder under development are turbocharger components used in diesel and gasoline engines. The components that make up the turbine section of these turbochargers are exposed to temperatures up to 1000 °C and typically fail due to excessive wear. The manufacturing approach that is being investigated for the new material is laser deposition by additive manufacturing (AM) processes, mainly laser powder bed fusion (L-PBF). The chemical composition of the new powder (AFA6) is: • Fe – 24 Ni – 20 Cr – 4 Al – 3 Mo – 3 Nb – 1C. The as-printed samples show high densities, and a fully austenitic microstructure that contains CrFe-Mo rich carbides and Nb rich carbides. The as-printed material, however, must be heat treated as the as-printed microstructure is highly unstable due to the high cooling rates involved in laserbased AM. A heat treatment was developed during the project and consists in a dwell time of 2 hours at 1100 °C followed by 2 hours at 800 °C. The resulting microstructure is fully austenitic and contains a distribution of fine Cr-Fe-Mo rich carbides, Nb rich carbides and NiAl. The tensile strength of heat treated AFA6 processed by L-PBF is higher than that of austenitic stainless steel Nitronic 60 at 25 °C, 400 °C and 800 °C. Elongation to fracture, however, is lower due to the large amount of hard phases (i.e. carbides and intermetallics) in the microstructure of AFA6 that makes it relatively brittle. The brittle nature of heat treated AFA6 is even more apparent following Charpy impact strength testing. The overall wear resistance of AFA6 is excellent and better than the currently used austenitic stainless steels at 400 °C. AFA6 offers similar wear resistance to Co-containing alloys at 400 °C. At 800 °C, the wear resistance of AFA6 is similar to those of austenitic stainless steels. The excellent resistance to wear of AFA6 steel is attributed to the formation of a compact oxide layer when subjected to sliding wear that covers the surface of the material and reduces subsequent wear. Furthermore, the oxidation resistance of AFA6 is better than those of the reference austenitic stainless steels and Co-based alloys up to 1000 °C. The excellent oxidation resistance of AFA6 is attributed to the formation of a stable and protective Al2O3 layer at high temperatures that protects the underlying steel from oxidation. The overall production cost of AFA6 based on raw materials is similar to those of currently used austenitic stainless steels and is 2,5 times lower than those of Co-based alloys. Following the success of the current project, a new research agreement was developed and aim at evaluating if the AFA6 powder can be used for laser cladding, a process that offers more flexibility for our industrial partner than L-PBF.