Conception de la composition de l'acier inoxydable 316 pour la fabrication additive par arc électrique : éviter la formation de phase sigma grâce à l'équilibre Creq/Nieq et au traitement thermique post-dépôt
Description
Contexte et objectif
Dans la fabrication additive par arc électrique (WAAM), les cycles thermiques répétés et l'apport de chaleur élevé génèrent des microstructures qui n'existent pas dans les aciers inoxydables forgés, notamment une sensibilisation, une ségrégation et des phases σ ou martensitiques fragiles qui réduisent la ductilité, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue. Ce doctorat vise à concevoir des compositions d'acier inoxydable 316 stables sous l'effet des cycles thermiques et à développer des traitements thermiques post-dépôt qui empêchent la formation de la phase σ tout en préservant les performances mécaniques et anticorrosion.
Aspects innovants et rupture
Le projet s'écarte de la conception empirique des alliages en explorant systématiquement des compositions d'acier inoxydable synthétique (nuance 316) avec des rapports Creq/Nieq (c'est-à-dire le rapport de teneur en chrome et en nickel) contrôlés avec précision. À l'aide de l'installation de refusion par zones de l'IMT Mines Saint-Étienne, des alliages seront produits à partir de matières premières élémentaires afin d'isoler les effets de la composition sur la stabilité de la phase σ. La modélisation CALPHAD guidera les prévisions de phase et la conception du traitement thermique, tandis que l'université de Cranfield validera les résultats grâce à des processus WAAM avancés avec des historiques thermiques contrôlés.
Approche scientifique
1. Prévision CALPHAD des équilibres de phase et de la stabilité de la phase σ.
2. Synthèse et sélection des alliages : alliages 316 refondus par zone ; tests de potentiel de corrosion pour exclure les compositions faibles.
3. Dépôt : matière première sous forme de fil traitée par – WAAM au gaz métallique et au plasma (Cranfield), – WAAM TIG (IMT Mines Saint-Étienne).
4. Caractérisation : diffraction et microscopie de la phase σ, ségrégation et équilibre austénite/ferrite.
5. Essais mécaniques : traction et fatigue à faible nombre de cycles pour relier le contrôle de phase à la performance.
6. Optimisation du traitement thermique pour dissoudre les phases nocives et restaurer la ductilité.
L'étudiant passera un an à l'université de Cranfield, où il se concentrera sur le dépôt WAAM et l'analyse microstructurale in situ.
Résultats attendus et perspectives
Le projet permettra d'établir une carte composition-procédé définissant les régions Creq/Nieq sûres pour le WAAM de l'acier inoxydable 316, garantissant la stabilité et minimisant la formation de la phase σ. Il fournira des lignes directrices pour des aciers inoxydables fiables de qualité AM et renforcera le leadership franco-britannique dans la conception d'alliages. Ces travaux constituent la base de futures recherches sur les alliages additifs basées sur CALPHAD au niveau de l'ERC.
Bibliographie
Bibliographie
- Lippold, J.C., Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steels, Wiley, 2005.
- Koseki, T. et al., Metall. Mater. Trans. A, 2022 – Solidification and σ-phase stability in 316L steels.
- Ding, J. et al., Materials & Design, 2016 – WAAM of stainless steels: microstructure and process control.
- Beal, V. et al., Additive Manufacturing, 2019 – Process–microstructure–property relationships in WAAM.
- Saunders, N. et al., CALPHAD, 1998 – Thermodynamic modelling of multicomponent stainless systems.
