Étude des liens Procédés-Microstructures-Propriétés pour les Alliages hors équilibre (Aciers à outils et Ti6Al4V)

Le travail présenté dans cet ouvrage est le fruit d’une approche pluridisciplinaire, étudiant des phénomènes métallurgiques tels que la solidification ou les transformations en phases solide, en conditions hors équilibre. Cette étude vise à comprendre les microstructures, afin d’une part d’établir un lien avec le comportement des alliages du système Fe-Cr-C-X soumis à des sollicitations sévères (Partie A), et d’autre part à déterminer la nature et l’évolution des phases dans un alliage Ti6Al4V élaboré par fabrication additive (Partie B).
Pour la Partie A, l’étude de la solidification et des transformations en phase solide permet notamment la mise en évidence d’un effet de sursaturation qui influence les mécanismes d’endommagement. Les alliages de la Partie A sont des aciers à outils ou des fontes alliées, issus de deux procédés d’élaboration. Le premier procédé est mixte (coulée conventionnelle au four électrique, suivie d’une métallurgie secondaire par refusion d’électrode consommable (ESR), avant un traitement thermomécanique (forgeage)). Le second mode d’élaboration est la coulée centrifuge verticale. Au niveau de la microstructure, toutes les phases des alliages Fe-C sont considérées, depuis la ferrite  jusqu’à la perlite qui se forment en conditions d’équilibre, jusqu’aux phases hors équilibre telles que la bainite et la martensite, qui sont obtenues après traitements thermiques spécifiques. La caractérisation des phases est réalisée en utilisant différents outils et techniques d’analyse, notamment la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (associée à l’EDX et à l’EBSD), la dilatométrie, l’analyse thermique différentielle, les duretés, etc. En outre on accorde une attention particulière à une phase rarement étudiée, à savoir la troostite, en la différenciant de la perlite avec laquelle on la confond parfois. Cette phase est induite par la sursaturation. Outre la troostite, on décrit plusieurs phénomènes découlant de la sursaturation, notamment la précipitation en phase solide de carbures au sein d’une matrice.
Les propriétés des matières sont étudiées notamment après l’élaboration de traitements thermiques optimisés au sens de l’homogénéisation de la microstructure et de la dureté.
La partie B étudie la solidification et les transformations en phase solide dans un alliage Ti6Al4V produit par fusion laser de poudres projetées sur un substrat. Dans cette partie, on part de la description du dispositif de fabrication jusqu’à la caractérisation macroscopique des dépôts obtenus en considérant des stratégies de fabrication distinctes. Un modèle grossier de description du procédé est d’abord esquissé, pour établir un refroidissement équivalent. Ensuite on montre comment l’apport d’un modèle thermique éléments finis validé, permet de connaître l’évolution de la température en tout point du dépôt. Cette information est exploitée pour interpréter l’évolution de la microstructure via un palier isotherme et un refroidissement final, dans un échantillon homogène. L’utilisation de la même approche sur un dépôt hétérogène permet d’obtenir des histoires thermiques plus complexes. C’est l’analyse de ces histoires thermiques qui permet de développer un concept nouveau : les blocs de temps et de transformations de phases ou Time – Phase Transformations – Blocks en abrégé TTB. Cette approche permet de découper en séquences l’ensemble de l’histoire thermique, chaque séquence étant en lien avec des mécanismes de transformations de phases bien identifiés. En outre, le concept TTB propose une description qui tient compte de toutes les étapes de la fabrication additive, en ce compris les périodes de chauffage rapides et le refroidissement final.
Cette thèse applique l’approche à rebours (appelée aussi analyse inverse), où l’on part de la fin pour remonter à la source, suite à une problématique soulevée dans les conditions de service. L’analyse du problème permet d’établir des corrélations entre des phénomènes qu’on n’aurait pas forcément liés initialement.
La thèse fait la synthèse de 8 articles, dont 5 pour la Partie A et 3 pour la Partie B. Chacun des articles donne lieu à un chapitre où on rappelle le contexte de l’étude, et surtout on apporte des résultats complémentaires et inédits, dont le contenu a été jugé essentiel à la compréhension globale de la thématique.
Cette étude réalisée sur deux familles d’alliages distinctes montre que le domaine hors équilibre reste encore un vaste champ exploratoire. Ceci s’applique tout particulièrement au phénomène de sursaturation qui conduit à la formation de phases dites métastables. De telles phases sursaturées peuvent déjà être générées avec des procédés de coulée classique, et elles le sont davantage quand on considère la fabrication additive.
Les corrélations microstructure-propriétés finales constituent la contribution principale majeure de ce manuscrit pour la Partie A. Elles proposent un lien au sens du paradigme de la science des matériaux, et donne par exemple une explication pour l’endommagement d’une pièce de fonderie pendant sa phase d’élaboration. L’autre contribution majeure développée dans la Partie B est l’élaboration d’un concept métallurgique nouveau, le TTB. Ce concept se destine à servir d’une part comme d’outil de base à la compréhension des mécanismes de transformations en phase solide, et d’autre part au développement de modèles cinétiques adaptés pour les procédés de fabrication additive, qui sont fortement hors équilibre.