Ce projet de recherche est une étude prospective des liens entre des microstructures types et ses comportements tribologiques associés. Il s’agit de comprendre l’impact de l’anisotropie morphologique et cristalline sur le comportement tribologique de surfaces, tout en conservant la même chimie. Pour cela, le procédé fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) est utilisé pour sa capacité à générer des microstructures types multi-échelles. Le matériau d’étude est l’ABD-900AM, un superalliage base nickel spécialement développé pour la fabrication additive qui est imprimable sans défaut sur une large gamme de paramètres procédé. Les différentes caractéristiques microstructurales étudiées sont la structure granulaire (taille, morphologie, texture cristallographique) et la structure cellulaire. Afin de générer ces microstructures types, différentes stratégies de lasage sont employées. Le choix de paramètre procédé consiste en une modification du parcours du laser et de l’orientation des pièces dans la chambre de fabrication, sans modifier les paramètres de lasage (puissance, vitesse). Les microstructures sont essentiellement caractérisées par les techniques DRX, MEB et EBSD. En termes de structures granulaires, différentes tailles de structure allant de quelques centaines à quelques milliers de µm² et de textures cristallographiques ((200), (220), (111) combinaison de plusieurs textures et non texturées) sont obtenues. La structure cellulaire est aussi modifiée selon la stratégie de lasage, et permet d’accéder à différentes épaisseurs (de 0,61 ± 0,13 µm à 0,85 ± 0,31 µm) et morphologies (colonnaire ou équiaxe) et de générer des différences d’homogénéités. Les essais tribologiques sont menés à température ambiante en configuration bille/plan en mouvement alterné avec une charge normale de 30 N, une fréquence de 1 Hz, et une distance de glissement de 10 mm. Différentes durées d’essais (120 s, 600 s, 1800 s et 3600 s) pour suivre l’évolution des mécanismes d’usure au cours du temps sont étudiées. Dans ces conditions de chargements, seuls les essais de 3600 s permettent de discriminer les microstructures. Ainsi, la tenue à l’usure des microstructures est associée au développement des couches interfaciales sur les traces d’usure, et à la capacité des microstructures à maintenir ces couches interfaciales à la surface. La taille et l’homogénéité de la structure cellulaire sont les éléments microstructuraux prépondérants qui permettent de maintenir ces couches interfaciales par le renforcement qu’elles apportent à la matrice. Un modèle d’usure phénoménologique basé sur l’analyse des traces d’usure pour différentes durées d’essais conclue ce projet. |
This research project is a prospective study examining the relationships between specific microstructures and their associated tribological behaviors. The aim is to understand the impact of morphological and crystallographic anisotropy on the tribological behavior of surfaces, while maintaining a consistent chemical composition. To achieve this, the Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) process is employed for its ability to generate multi-scale characteristic microstructures. The material under investigation is ABD-900AM, a nickel-based superalloy specifically developed for additive manufacturing, known for its defect-free printability across a wide range of process parameters. The microstructural features studied include the grain structure (size, morphology, crystallographic texture) and the cellular structure. To generate these characteristic microstructures, various laser scanning strategies are employed. The process parameters are selected by modifying the laser path and the orientation of the parts within the build chamber, while keeping key laser settings (power, speed) constant. The microstructures are primarily characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and electron backscatter diffraction (EBSD). For the grain structures, a range of sizes, from a few hundred to several thousand µm², and crystallographic textures ((200), (220), (111), combinations of multiple textures, and non-textured) were achieved. The cellular structure was also modified according to the laser scanning strategy, resulting in variations in thickness (from 0.61 ± 0.13 µm to 0.85 ± 0.31 µm), morphologies (columnar or equiaxed), and degrees of homogeneity. Tribological tests were conducted at room temperature using a ball-on-flat reciprocating sliding configuration with a normal load of 30 N, a frequency of 1 Hz, and a sliding distance of 10 mm. Various test durations (120 s, 600 s, 1800 s, and 3600 s) were examined to track the evolution of wear mechanisms over time. Under these loading conditions, only the 3600 s tests were able to effectively distinguish between different microstructures. The wear resistance of the microstructures was linked to the development of interfacial layers on the wear tracks and the ability of the microstructures to maintain these layers at the surface. The size and homogeneity of the cellular structure were identified as the key microstructural factors that enabled the retention of these interfacial layers by reinforcing the matrix. A phenomenological wear model based on the analysis of wear tracks for different test durations concludes this project. |