Résistance à l'usure d'un matériau fabriqué de manière additive

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12554 (2022) Citer cet article

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Le comportement à l'usure par glissement à sec d'un acier inoxydable martensitique à haute teneur en carbone (HCMSS) composé d'environ 22,5 % en volume de carbures riches en chrome (Cr) et vanadium (V) traités par fusion par faisceau d'électrons (EBM) a été capturé. La microstructure était constituée de phases martensite et d'austénite retenues avec une distribution homogène de carbures riches en V de taille submicronique et riches en Cr de taille micronique, conduisant à une dureté relativement élevée. Le CoF a diminué d'environ 14,1 % avec l'augmentation de la charge en régime permanent, en raison du transfert de matériau de la piste d'usure sur le contre-corps. Le taux d'usure du HCMSS par rapport à l'acier à outils martensitique traité de la même manière, et il était presque identique sous une faible charge appliquée. Le mécanisme d'usure dominant était l'élimination de la matrice en acier par abrasion, suivie de l'oxydation de la trace d'usure, tandis qu'une usure abrasive à trois corps se produisait avec l'augmentation de la charge. Une zone plastiquement déformée sous la trace d’usure a été révélée grâce à une cartographie transversale de la dureté. Des phénomènes spécifiques survenus avec des conditions d'usure de plus en plus agressives ont été décrits avec fissuration des carbures, arrachement des carbures riches en V et fissuration de la matrice. Cette étude a révélé les performances d'usure du HCMSS fabriqué de manière additive, ce qui pourrait ouvrir la voie à la production de composants pour des applications liées à l'usure, allant des arbres aux moules d'injection plastique en passant par l'EBM.

Les aciers inoxydables (SS) constituent une famille d'aciers polyvalents largement utilisés dans un large éventail d'applications aérospatiales, automobiles, agroalimentaires et dans de nombreuses autres applications techniques en raison de leur haute résistance à la corrosion et de leurs propriétés mécaniques appropriées1,2,3. Leur haute résistance à la corrosion est attribuée à la teneur élevée en chrome (supérieure à 11,5 % en poids) du SS, facilitant la formation d'un film d'oxyde riche en chrome en surface1. Cependant, la plupart des nuances SS ont une faible teneur en carbone et donc une dureté et une résistance à l'usure limitées, ce qui conduit à une durée de vie plus courte dans les applications liées à l'usure telles que les composants d'atterrissage aéronautique4. Ils possèdent généralement une faible dureté (comprise entre 180 et 450 HV), et seules certaines nuances SS martensitiques traitées thermiquement présentent une dureté élevée (jusqu'à 700 HV) associée à leur teneur élevée en carbone (jusqu'à 1,2 % en poids) qui peut favoriser la formation de martensite1. En bref, la teneur élevée en carbone diminue la température de transformation de la martensite, permettant une microstructure entièrement martensitique à des vitesses de refroidissement élevées et obtenant une microstructure résistante à l'usure. Pour améliorer encore les performances d'usure de la matrice, des phases dures (telles que des carbures) peuvent être incorporées dans la matrice en acier.

La mise en œuvre de la fabrication additive (FA) permet la production de nouveaux matériaux avec les compositions souhaitées, les caractéristiques microstructurales et les propriétés mécaniques supérieures5,6. Par exemple, la fusion sur lit de poudre (PBF), l'un des procédés de fabrication additive les plus commercialisés, peut déposer des poudres pré-alliées pour former un composant de forme presque nette en faisant fondre la poudre à l'aide d'une source de chaleur telle qu'un laser ou un faisceau d'électrons7. Plusieurs études ont montré que les pièces en acier inoxydable traitées par fabrication additive peuvent être supérieures à leurs homologues fabriquées de manière conventionnelle. Par exemple, il a été démontré que le SS austénitique traité par FA présente des propriétés mécaniques améliorées en raison de sa microstructure plus fine (c'est-à-dire la relation Hall-Petch)3,8,9. Le traitement thermique dans les SS ferritiques traités par AM a favorisé la formation de précipités supplémentaires, offrant des propriétés mécaniques similaires à celles de leurs homologues conventionnels 3,10. Des SS duplex traités par FA ayant une résistance et une dureté élevées ont été introduits, où les propriétés mécaniques améliorées sont attribuées aux phases intermétalliques riches en Cr au sein de la microstructure11. En outre, des propriétés mécaniques améliorées pour les SS martensitiques traités par AM et les SS durcis par précipitation peuvent être obtenues en contrôlant l'austénite retenue dans la microstructure et en optimisant les paramètres de traitement AM et de traitement thermique3,12,13,14.