Traitement superficiel au laser appliqué aux aciers outils H13 forgé et imprimé par fabrication additive : analyse expérimentale de la microstructure et des performances mécaniques

Baali, Lamya (2023). Traitement superficiel au laser appliqué aux aciers outils H13 forgé et imprimé par fabrication additive : analyse expérimentale de la microstructure et des performances mécaniques. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 245 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : Le traitement surfacique au laser est une méthode thermique largement adoptée dans l'industrie pour améliorer la résistance et les caractéristiques des aciers à outils. Cette technique repose sur l'application précise et localisée d'un faisceau laser à haute puissance. Cette étude s'inscrit dans le cadre de l'amélioration de la microstructure et des caractéristiques mécaniques de l'acier à outils H13, fabriqué à la fois par forgeage classique et par fabrication additive, Ces deux matériaux sont fréquemment utilisés dans l'industrie pour la fabrication de moules et d'outils nécessitant des performances élevées. Le choix d'explorer la fabrication additive s'est révélé pertinent, car elle incarne une technologie innovante qui offre des perspectives inédites en matière de conception et de fabrication de moules complexes. En particulier, la capacité de la fabrication additive à créer des canaux de refroidissement sur mesure, parfaitement adaptés aux géométries complexes des cavités des moules, représente une tendance émergente offrant un potentiel significatif pour l'optimisation de l'efficacité et des performances des outils industriels. Une analyse approfondie des défauts constatés sur les moules a clairement identifié la surface du matériau comme la zone la plus vulnérable, exposée à une variété de contraintes thermiques et mécaniques. Dans cette optique, ce projet vise à remédier à cette problématique en appliquant un traitement surfacique au laser, utilisant des d'unités bioniques sous forme de lignes, sur les deux types d'acier H13. Une étude expérimentale et statistique a été entreprise pour améliorer la qualité de la surface des deux variantes d'acier H13. Cette étude a intégré un plan d'expérience méthodique, comprenant une gamme variée de paramètres laser, notamment la puissance, la vitesse et la distance de déplacement du faisceau laser. Ces paramètres ont été soumis à une évaluation rigoureuse, prenant en compte leur influence sur des aspects essentiels tels que la microstructure, le profil de dureté, la résistance à la traction ultime, l'élongation à la rupture, ainsi que les modes de fractures. Le microscope électronique à balayage a été utilisé pour étudier le développement et les changements de la structure cristalline résultant des différents traitements au laser. L'outil statistique ANOVA a été déployé pour analyser la contribution et l'effet des paramètres sur la longueur et la largeur de la zone traitée, afin de mieux contrôler les dimensions de la partie affectée. Cette approche a également permis de trouver la corrélation entre les paramètres laser et les propriétés mécaniques statiques suivantes : la résistance ultime à la traction et l'élongation à la fracture. Les résultats ont apporté une démonstration concluante de l'influence significative des paramètres laser sur la microstructure et sur les propriétés mécaniques de l'acier H13, notamment la puissance qui a été identifiée comme ayant la plus grande contribution selon les analyses statistiques. De plus, ces résultats ont confirmé l'efficacité du traitement surfacique au laser à la fois sur l'acier à outils conventionnel et sur celui conçu par fusion sélective au laser. -- Mot(s) clé(s) en français : AISI H13, Propriétés mécaniques; Traitement thermique, Laser, fusion sélective au laser, Fabrication additive, canal de refroidissement conforme, Moulage par injection, Analyse de variance ANOVA, Taguchi. --
ABSTRACT : Laser surface treatment is a thermal method widely adopted in industry to improve the strength and characteristics of tool steels. This technique relies on the precise and localized application of a high-power laser beam. This study is aimed at improving the microstructure and mechanical properties of H13 tool steel, manufactured both by conventional forging and additive manufacturing methods. These two materials are frequently used in the industry to produce molds and tools requiring high performance. The choice to explore additive manufacturing has proven to be relevant as it embodies an innovative technology that offers unprecedented prospects in the design and production of complex molds. In particular, the ability of additive manufacturing to create conformal cooling channels that perfectly match to the intricate geometries of mold cavities represents an emerging trend that holds significant potential for optimizing the efficiency and performance of industrial tools. A thorough analysis of mold defects has distinctly identified the material's surface as the most vulnerable area, exposed to various thermal and mechanical stresses. This project seeks to address this issue by applying a laser surface treatment, utilizing bionic units in the form of lines, on both types of H13 steel. An experimental and statistical study was conducted to enhance the surface quality of the two H13 steel variants. This study incorporated a systematic experimental plan encompassing a diverse range of laser parameters, including power, scanning speed, and laser defocus distance. These parameters underwent rigorous assessment, considering their influence on crucial aspects such as microstructure, hardness profile, ultimate tensile strength, elongation at fracture, and fracture modes. Scanning electron microscopy was utilized to investigate the development and changes in the crystalline structure resulting from the different laser treatments. The statistical tool ANOVA was employed to analyze the contribution and effect of parameters on the length and width of the treated area, with the aim of better controlling the dimensions of the affected region. This approach also facilitated the identification of correlations between laser parameters and static mechanical properties, including ultimate tensile strength and elongation at fracture. The results have provided conclusive evidence of the significant influence of laser parameters on the microstructure and mechanical properties of H13 steel, with power being identified as the parameter contributing most significantly, according to statistical analyses. Furthermore, these results have affirmed the effectiveness of laser surface treatment on both conventional tool steel and that manufactured through selective laser melting. -- Mot(s) clé(s) en anglais : AISI H13, mechanical properties, Additive Manufacturing, Conformal Cooling Channel, Selective Laser Melting, Laser, Injection Molding, Heat Treatment, Analysis of Variance ANOVA, Taguchi.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Barka, Noureddine
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Dassylva-Raymond, Véronique
Information complémentaire :	Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences appliquées (M.Sc.A.).
Mots-clés :	Acier à outils; Traitement thermique; Fabrication additive; Métaux; Moulage par injection; Lasers; Matériaux; Effets du rayonnement sur.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	27 févr. 2024 13:28
Dernière modification :	27 févr. 2024 13:28
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2900

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