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Assemblages et fonctionnalisation de surfaces par procédés de haute énergie (laser, arcs électriques, projection thermique)

Différents moyens techniques et de recherche sont disponibles au sein des plateformes technologiques du Creusot et de Sévenans. Sur ces deux sites sont développés des études afin d’améliorer les techniques d’assemblages et fonctionnalisation de surfaces par procédés de haute énergie (laser, arcs électriques, projection thermique).

Assemblage des matériaux métalliques par procédés de fusion

Ces activités sont réalisées au sein de Hall laser de la plateforme FLAIR (site Le Creusot et Chalon).

L’assemblage par fusion des matériaux métalliques, que ce soit avec les outils classiques comme le soudage à l’arc, ou avec les outils de précision, comme le soudage laser, présente un ensemble de phénomènes physiques agissant en forte synergie et fait objet de nombreuses études orientées vers la compréhension et la quantification des phénomènes liés à la création et au comportement de la soudure. L’étude des problématiques liées au soudage par fusion emploie des outils expérimentaux transversaux, comme les mesures de température, imagerie rapide, corrélation d’image, tests mécaniques, métallographie et les techniques d’analyse XRD, MEB-EDX, EBSD, … , ainsi que des outils numériques permettant de simuler ou de modéliser les champs de températures, de contraintes, de vitesses du liquide, associés au soudage.

Nos principaux axes d’activité dans le cadre de l’étude d’assemblage des matériaux métalliques sont les suivants :

  • Compréhension et maîtrise des assemblages laser entre les matériaux métalliques de la nature différente (cuivre/inox, aluminium/titane, inox/titane, aluminium/magnésium, aluminium/acier etc.), présentant les difficultés liés à la compatibilité métallurgique, à travers des caractérisations online (caméra rapide) et post-mortem (MEB-EDX, XRD, …).

Contact : Iryna Tomashchuk (site Le Creusot)

  • Etudes thermomécaniques du soudage laser, arc ou hybride de structures complexes (instrumentation par thermocouples, mesures de déformations par corrélation d’image numérique, contraintes résiduelles)

Contact : Alexandre Mathieu (site Le Creusot)

  • Compréhension et quantification des phénomènes de soudage via la simulation et la modélisation de processus de soudage par FEM COMSOL et ABACUS (simulations du champ thermique et champ des contraintes, modélisation prédictive avec le couplage multiphysique thermique/convection/diffusion des espèces, etc.)

Contact : Iryna Tomashchuk (site Le Creusot)

  • Etudes spectrométriques des vapeurs/plasma générées lors de l’interaction laser-matière, en vue de la compréhension des phénomènes (processus d’ablation, comportement du capillaire) et la caractérisation physique des vapeurs (composition, température électronique, état d’ionisation)

Contact : Jean-Marie Jouvard (site Le Creusot et Chalon)

  • Fonctionnalisation de surface par laser : étude de la réactivité́ de la surface lors du traitement laser dans l’air : compréhension des mécanismes d’insertion (oxygène/azote) en surface lors d’un traitement de surface par laser, traitement par choc laser dans le but de la protection des surfaces à l’oxydation à haute température

Contacts : Jean-Marie Jouvard (site Chalon) / Luc Lavisse (site Dijon)

  • Mise au point de nouvelles techniques CND : analyse par thermographie active dans le but de détecter des défauts surfaciques (analyse de la réponse thermique d’un matériau métallique suite au balayage d’une source laser). Ces activités sont réalisées en collaboration avec la plateforme CND (IUT Chalon – Licence CNDMS)

Contact : Jean-Christophe Kneip (site Chalon)

  • Calcul sur micrographies: une activité émergente à l’IUT du Creusot.
    L’exemple ci-contre porte sur l’estimation des champs de contraintes/déformations dans un assemblage soudé par laser: c’est l’image de la micrographie de l’assemblage (après traitement) qui sert de maillage (calculs réalisés par éléments finis sous ANSYS APDL). Il s’agit plus particulièrement d’un assemblage Ti6Al4V/inox (épaisseur 1 mm) réalisé via un insert en vanadium (de couleur bleue sur l’image centrale). Cet insert permet d’éviter la formation de phases fragiles (notamment FeTi et Fe2Ti) généralement observée en soudage direct. En contrepartie, cet assemblage requiert la réalisation de 2 cordons de soudure distincts (en vert et rouge sur l’image centrale). Les micrographies des 2 cordons individuels sont présentées au dessus. L’assemblage 5 matériaux utilisé pour les calculs (chaque couleur correspond à un matériau différent) est présenté sur l’image centrale. Enfin la composante z (Pa) du tenseur des contraintes (composante normale à la coupe donc) illustre les résultats obtenus en considérant la contraction thermique des matériaux des 2 cordons lors de leur refroidissement à température ambiante. Les résultats indiquent la présence d’une contrainte en tension (+) dans les 2 cordons, balancée par une contrainte en compression (-) dans les matériaux de base non fondus. A noter que le niveau de contrainte estimé reste sensible vis-à-vis de la loi de comportement considérée pour les différents matériaux (ici lois bilinéaires). En particulier, la considération d’une limite élastique de 1 GPa pour TA6V (et pour le cordon TA6V/vanadium) explique la présence d’un niveau de contrainte aussi élevé que 1.2 GPa dans le cordon en question. Le couplage caractérisation/modélisation est donc essentiel, notamment pour la maîtrise des propriétés des matériaux des cordons (mélanges de matériaux) : des mesures par indentation locale doivent être réalisées.

Contact : Rodolphe Bolot (site Creusot)

Projection thermique

Ces activités sont réalisées au sein de la plateforme du LERMPS (site Sevenans).

La projection thermique consiste à utiliser une source d’énergie en vue de fondre et d’accélérer un matériau fragmenté (avant ou après fusion) à l’exception de la projection à froid basée uniquement sur la déformation du matériau. Les différents procédés en projection thermique sont définis principalement par la source d’énergie mise en œuvre (combustion, décharge électrique).

Le procédé est conditionné par des transferts thermiques et/ou cinétiques entre le matériau projeté et la source enthalpique utilisée. L’énergie cinétique est communiquée à la particule par la vitesse et la viscosité du mélange gazeux de projection. La construction du revêtement résulte de l’empilement des particules sur le substrat. L’équilibre entre l’énergie cinétique et thermique des particules est donc prépondérant pour la qualité du revêtement.

Les principales spécificités de l’équipe :

Hanlin LIAO

Responsable

hanlin.liao[at]utbm.fr
Tél : +33 (0)3 84 58 32 42

  • préparation de surfaces avant projection par texturation laser. La mise en œuvre de revêtements réalisés par projection thermique connaît de nombreuses applications industrielles. Pourtant, certaines de ces applications restent inhibées par des caractéristiques telles que l’adhérence limitée des revêtements aux substrats, des problèmes de qualité, de reproductibilité, environnementaux (gestion des effluents) ou encore de coût industriel. En effet, un tel procédé nécessite plusieurs phases successives non synchronisées pour l’obtention d’un revêtement. C’est pourquoi, dans le but de remédier à ces inconvénients, un certain nombre de techniques connexes à la projection thermique par association de faisceaux laser ont vu le jour ces dernières années notamment en termes de préparation de surface, de maîtrise des flux thermiques par préchauffage ou par refroidissement cryogénique ou encore de refusion simultanée.
    Si cette association a d’ores et déjà démontré un fort intérêt d’un point de vue technologique (par ablation laser des surfaces), l’évolution des technologies laser permet aujourd’hui de travailler encore plus vite et de façon encore plus efficace suivant un nouveau mode de traitement. Le développement des lasers à fibres a permis en effet de développer de nouveaux outils laser permettant à la fois de nettoyer les surfaces tout en maîtrisant la morphologie de ces dernières par un phénomène de texturation. La création de motifs par traitement laser en surface d’un matériau support (trous, lignes, etc.) permet ainsi le contrôle de sa géométrie et de définir un état de surface adapté au procédé de mise en œuvre du revêtement pour optimiser ainsi l’adhérence revêtement-substrat.

Contact : Sophie Costil

  • mise en forme de pièces métalliques par les procédés VPS et Cold Spray.
    L’objectif général de ce projet est de remplacer certains moyens de fabrication jugés trop longs ou trop coûteux ou encore inadaptés pour certains matériaux difficiles à mettre en forme. La réalisation d’une pièce au plus près de la côte finale diminue la quantité de matière consommée et le temps d’usinage final. Afin d’obtenir une pièce conforme à un cahier des charges et dont l’épaisseur de paroi pourra varier de quelques dixièmes de millimètres à plusieurs centimètres, de nombreuses études sont nécessaires et concernent notamment :> la mise au point des paramètres de projection
    > le choix, le contrôle et le traitement des poudres
    > la détermination des contraintes résiduelles pour le respect des tolérances dimensionnelles
    > la maîtrise de l’élaboration de structures multicouches avec interfaces simples ou à gradient de composition
    > la mise au point de l’élimination du support d’origine
    > la réalisation de dépôts sur des formes de géométrie complexe.Ce procédé peut s’appliquer aussi bien pour l’obtention de pièces céramiques, métalliques ou composites. Les études entreprises au laboratoire depuis le début des années 1990 se sont principalement axées avec le procédé VPS sur le développement des matériaux métalliques suivants: Inconel 625, Astroloy, Monel K-500, TA6V4, CuAgZr.

Contact : Christophe Verdy

Afin d’atteindre des propriétés mécaniques équivalentes à celles des mêmes matériaux mais obtenus par des procédés plus conventionnels (forgeage, coulée, MDP), le procédé de projection VPS (Vacuum Plasma Spraying ou aussi nommé LPPS : Low Pressure Plasma Spraying) a été employé. Ce procédé de projection thermique par une torche à plasma d’arc soufflé s’effectue dans une enceinte de projection dans laquelle une pression réduite et une atmosphère neutre (typiquement 50 à 200 mbar d’argon) sont régulées. La teneur en oxygène résiduelle dans l’enceinte n’excède pas pour la plupart des projections une valeur de 100 ppm, permettant d’éviter l’oxydation des particules et également du substrat ou subjectile qui peut ainsi être porté à haute température (500 à 1100°C). L’avantage de cette faible pression réside aussi dans les vitesses que vont atteindre les particules, de 400 à 700 m/s, permettant d’obtenir des dépôts avec une faible porosité..

Le programme technologique de mise en forme par projection thermique a porté d’une part sur la caractérisation métallurgique et mécanique des matériaux VPS et d’autre part sur l’étude de cas concrets de mise en forme de pièces. Ce programme a été initialement supporté (1992-1997) par SNECMA-Sochata, Turboméca-Tarnos et la SEP (Société Européenne de propulsion) puis majoritairement (1997 – 2016) par Ariane Groupe Vernon.

D’un point de vue structure, les matériaux obtenus présentent des taux de porosité voisins de 1% et la microstructure, sans post-traitement , peut être recristallisée si la température d’élaboration est suffisamment haute (cas des alliages de cuivre notamment et aussi du TA6V).

Les traitements thermiques permettent d’obtenir des microstructures équiaxes  et parfois, selon les conditions de réalisation des traitements thermiques, un abaissement de la porosité. Par rapport aux mêmes matériaux mais réalisés par d’autres procédés, à traitements thermiques identiques, on note que les matériaux VPS possèdent une taille de grains généralement plus faible.

Les caractéristiques mécaniques des matériaux VPS  sont identiques à celles des matériaux conventionnels. Une meilleure résistance au fluage est dans la plupart des cas mesurée au dépend d’une légère baisse des résultats en fatigue.

L’année 2006 a ainsi vu la réalisation complète d’un prototype de chambre de combustion de moteur HM7 (3ème étage de la fusée Ariane) à partir des technologies développées en collaboration avec la société SNECMA-DMS, groupe SAFRAN. Une pièce échelle 1 de 50 kg, 550 mm de hauteur, multicouche, intégrant 128 canaux de largeur et hauteur variable a ainsi été réalisée.

En 2016, deux chambres de combustion plus petites en dimension (poussée nominale de 10 kN avec un cycle expander-bleed) ont été réalisées par mise en forme par le procédé VPS dans le cadre du projet BOREAS (Bench Optimised for Research and tEchnology mAturation at Subscale), financé par le CNES. Les tests sur banc moteur cryogénique R&T P8 du DLR Lampoldshausen (Allemagne). Cette pièce multicouche intègre 92 canaux de refroidissement.

La mise en forme par projection thermique est également aujourd’hui développée en partenariat avec le LNCMI-CNRS (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble) avec le procédé Cold Spray pour des alliages de cuivre combinant haute résistance mécanique et forte conductivité électrique. L’écrouissage des particules provoqué par la déformation à froid permet, tout en gardant une conductivité identique, d’atteindre une plus haute limite d’élasticité par rapport au matériau forgé. Cette plus haute limite d’élasticité permet d’augmenter le champ magnétique, celui-ci étant généré par le passage d’une forte densité de courant dans des tubes découpés en forme d’hélice et emboîtés les uns dans les autres.

Des rendements de projection proches de 100 % sont atteints et permettent d’élaborer des dépôts denses jusqu’à 30 mm d’épaisseur sur des supports de diamètre 340 mm, soit des masses déposées pour les plus grosses hélices de l’ordre de 120 kg. La projection sous atmosphère contrôlée d’hélium permet d’accroître l’écrouissage du matériau et de limiter toute oxydation.

  • développement de revêtements protecteurs. Pour des applications fonctionnelles en surface anti usure, corrosion, température…avec des matériaux de toute nature (organique, céramique, métallique), divers revêtements peuvent alors être développés par des procédés plasma (atmosphérique-APS, basse pression-VPS, très basse pression-VLPPS), flamme, flamme supersonique (HVOF gaz, HVOF éthanol), arc-fil, cold-spray haute et basse pression.
    Selon les caractéristiques du revêtement recherchées (structures nanométriques ou micrométriques), le matériau précurseur peut être projeté sous forme solide (particules, baguette) ou en solution ou suspension (nanoparticules).

Contact : Hanlin Liao

  • 2010-2014 : ANR « SISHYFE » : Assemblage des aciers de fortes épaisseurs par soudage hybride LASER-MIG. Contribution à la simulation numérique du soudage hybride par la méthode de la source équivalente et par simulation prédictive thermo-hydraulique (thèse I. Bendaoud). Essais expérimentaux et contrôle online (camera rapide, thermocouples, champ de déformations) dans le but de la compréhension des phénomènes lors du soudage hybride laser-arc (thèse I. Tkachenko).
  • 2012-2014: Abondement Carnot ARTS ATTILA «Compréhension et contrôle des phénomènes physiques ayant lieu durant l’assemblage dissimilaire : application au cas de l’assemblage d’un alliage d’aluminium avec un alliage du titane T 40». C’est un projet collaboratif entre l’équipe LTm de ICB et le laboratoire PIMM de Arts et Métiers Paris Tech.
  • 2014 – : LabCom « FLAMme »: Faisceaux Laser et Assemblage de Matériaux disseMblablEs : Laboratoire commun avec l’entreprise Laser Rhône-Alpes. Etude des assemblages Titane-Acier obtenus par soudage LASER (Thèse de Antoine MANNUCCI)
  • 2017 – 2020 : ADEME/PIA « Light Tank » : Véhicule routier et mobilité du futur par le développement de semi-remorques, conteneurs et caisses mobiles allégés pour le transport de liquides et de gaz. Notre contribution est l’étude de l’assemblage d’un liner de citerne en acier inoxydable de fine épaisseur et la simulation thermomécanique des opérations de soudage associées (thèse de Hichem ABERBACHE).
  • 2018 – 2021 : ANR « NEMESIS » : La métallurgie numérique au service des procédés de soudage à l’arc: Des matériaux virtuels pour maîtriser les défauts. Contribution à la compréhension des mécanismes de formation de défaut en soudage des matériaux métalliques, en particulier la fissuration à chaud (Travaux de Intissar FRIH, étude postdoctorale).
  • 2018 – 2019 : IRT M2P – RESEM « MITEXFA » : Microstructure et texture de solidification colonnaire dans la fabrication additive (collaboration avec l’équipe LERMPS/ICB et l’Institut Jean Lamour de l’Université de Lorraine)
  • 2012 – TOMA Cristian Marius. Maîtrise des interfaces hétérogènes lors d’une opération de soudo-brasage : application au couple aluminium magnésium
  • 2013  – BENDAOUD Issam. Contribution à la compréhension du soudage laser hybride : approche source équivalente et approche phénoménologique
  • 2015 – GIRAULT Marie. Etude d’un plasma généré lors d’un traitement de surface métallique par ablation laser dans l’air : caractérisations du rayonnement et des nanoparticules induits
  • 2015 – THIAM Abdoulahad. Contribution à l’étude et à l’optimisation du procédé de thermographie active appliquée à la détection de défauts surfaciques
  • 2015 – TKACHENKO Iuliia. Contribution à la compréhension et à la modélisation des phénomènes physiques se produisant lors d’un assemblage par procédé hybride laser-arc
  • 2016 – TCHOUMI Thierry. Modélisation multi-physique de l’arc de soudage et du dépôt du cordon de soudure lors d’une opération de soudage – Prédiction des distorsions et des contraintes résiduelles
  • 2016 – MASMOUDI Amal. Modélisation et développement expérimental du procédé de fabrication additive par fusion sélective d’un lit de poudre métallique. Influence de la pression de l’atmosphère.
  • 2016 – LIU Jiangwei. Maitrise du procédé hybride de projection thermique avec refusion laser in-situ : Approches numérique et expérimentale
  • 2017 – METAIS Alexandre. Simulation numérique des phénomènes thermohydrauliques et de diffusion des éléments chimiques lors du soudage laser d’aciers de nature différente
  • 2018 – YAN Xingchen. Etude sur la fusion sélective au laser de l’alliage Ti6Al-4V pour des applications biomédicales
  • 2017 – MANNUCCI Antoine. Etude de l’influence de la métallurgie et de la microstructure sur la tenue des assemblages titane-acier par faisceau laser (en collaboration avec l’entreprise LRA).
  • 2017 – ABERBACHE Hichem. Simulation numérique du soudage d’un acier inoxydable austénitique : Application au cas de structures soudées pour le transport routier (en collaboration avec l’entreprise SMFF MAGYAR)
  • 2019 – RAVRY Bastien. Développement et instrumentation d’un pilote d’atomiseur de poudres métalliques ultra-pures en vue de comprendre et modéliser les processus physiques impliqués (en collaboration avec l’équipe MANAPI/ICB et l’entreprise FRAMATOME).
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