Thèse Relations Procédé-Microstructure-Propriétés Mécaniques de l'Acier 300M Élaboré par Waam et Wlam H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Mines Paris-PSL École doctorale : ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique Laboratoire de recherche : Centre des Matériaux Direction de la thèse : Sylvain DEPINOY Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 : Les procédés de fabrication additive WAAM et WLAM permettent de produire des pièces métalliques avec un fort taux de dépôt et peu de pertes de matière. Cependant, les conditions de solidification et les cycles thermiques associés à ces procédés modifient fortement la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux élaborés.
Cette thèse s'intéresse à l'acier 300M, un acier à haute résistance utilisé dans l'aéronautique, dont les performances dépendent de sa microstructure martensitique après traitement thermique. L'objectif principal est d'étudier l'effet des paramètres des procédés WAAM et WLAM sur la microstructure à l'état brut et après traitement thermique, ainsi que sur les propriétés mécaniques en traction et en ténacité de ces matériaux.
Les procédés de fabrication additive par dépôt de fil métallique suscitent un intérêt croissant pour la production de pièces de grandes dimensions ou l'ajout de fonctionnalités. Parmi ces technologies, la fabrication additive arc-fil (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) et laser-fil (Wire Laser Additive Manufacturing, WLAM) permettent d'obtenir des taux de dépôt élevés tout en limitant les pertes de matière par rapport aux procédés conventionnels. Toutefois, ces procédés induisent des conditions de solidification et de refroidissement spécifiques ainsi qu'un cyclage thermique important au cours de l'élaboration, conduisant à des microstructures différentes de celles obtenues par les procédés conventionnels de corroyage, et par conséquent à des propriétés mécaniques différentes. Par ailleurs, les procédés WAAM et WLAM peuvent favoriser l'apparition de défauts métallurgiques dans les pièces élaborées, tels que la porosité, la fissuration ou encore la présence d'inclusions issues du fil d'apport ou de l'environnement de fabrication.
Dans ce contexte, cette thèse vise à comparer les effets des procédés WAAM et WLAM sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'acier 300M, un acier à haute résistance utilisé à l'état trempé-revenu pour des composants fortement sollicités mécaniquement, notamment dans le domaine aéronautique. Cet acier tire ses performances d'un compromis entre résistance élevée et ténacité, fortement dépendant de la microstructure martensitique obtenue après traitement thermique. Dans le cas de l'élaboration par WAAM, la microstructure brute de fabrication est hétérogène et dépend fortement des paramètres du procédé [1,2]. Différentes phases peuvent ainsi co-exister, que ce soit au sein d'un cordon en raison de la ségrégation chimique résultant de la solidification dendritique ou à l'échelle de la pièce en raison des gradients de revenu induits par le cyclage thermique. La fabrication couche par couche est également susceptible d'induire des grains austénitiques colonnaires pouvant induire une anisotropie mécanique et favorisant la fissuration lors de la fabrication [2]. Il n'existe toutefois pas d'études s'intéressant aux propriétés mécaniques de ces aciers, notamment à rupture, après traitement thermique, comme cela est par exemple le cas pour le procédé de fabrication additive par projection de poudre [3]. Enfin, aucune étude n'a à ce jour été reportée dans la littérature ouverte sur les propriétés microstructurales et mécaniques de l'acier 300M élaboré par WLAM.
Le premier objectif de cette thèse est d'étudier l'influence des paramètres du procédé sur la microstructure brute de fabrication d'un acier 300M élaboré par WAAM et WLAM. Les caractérisations porteront sur les phases en présence, la morphologie et la texture des anciens grains austénitiques, les hétérogénéités de composition chimique induites par la solidification et la présence d'inclusions. Dans un second temps, l'effet d'un traitement thermique de type trempe-revenu sur ces microstructures sera étudié. Enfin, les propriétés en traction et en ténacité à l'état trempé-revenu seront caractérisées et comparées avec celle d'un matériau corroyé. L'étude s'intéressera dans un premier temps aux matériaux élaborés par WAAM. Des observations par microscopie optique permettront d'étudier la morphologie des cordons ainsi que la présence de défauts de fabrication en lien avec les paramètres du procédé. Les phases en présence (nature de la matrice, carbures, inclusions) seront identifiées par microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X et, si nécessaire, microscopie électronique en transmission. Des analyses complémentaires par EBSD permettront de remonter à la morphologie et à la texture des anciens grains austénitiques. Des analyses de la composition chimique locale, réalisées par EDS, permettront d'évaluer les ségrégations chimiques induites par la solidification dendritique. Ces différentes caractérisations seront réalisées sur des échantillons prélevés à différentes hauteurs des pièces construites afin d'étudier l'effet du cyclage thermique induit par la fabrication couche par couche.
Dans un second temps, une étude paramétrique sera effectuée avec le procédé WLAM afin d'obtenir des pièces présentant un taux minimal de défauts métallurgiques. Une première sélection de paramètres procédé sera faite sur des monocordons, avant d'être étendue à la fabrication de murs monocordons et enfin de blocs massifs. Le même protocole de caractérisation que celui détaillé pour les matériaux construits par WAAM sera utilisé afin d'estimer les différences induites par ces deux procédés.
Enfin, les matériaux considérés comme optimaux obtenus par WAAM et WLAM seront soumis à un traitement thermique de type trempe-revenu et leurs microstructures seront caractérisées. Des essais de traction uniaxiale et de ténacité seront réalisés sur ces matériaux afin d'évaluer leurs propriétés mécaniques et de les comparer à un état corroyé.