Optimisation des paramètres de fabrication additive et de post-traitement thermique pour l'acier à outils H13 : étude approfondie des interactions entre microstructurales et des performances mécaniques en fonction des paramètres du procédé

Omidi, Narges (2024). Optimisation des paramètres de fabrication additive et de post-traitement thermique pour l'acier à outils H13 : étude approfondie des interactions entre microstructurales et des performances mécaniques en fonction des paramètres du procédé. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 144 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : L'acier à outils H13 est largement utilisé pour les moules d'injection en raison de sa résistance exceptionnelle à la fatigue thermique, particulièrement à haute température. Les canaux de refroidissement conformes (CCC) ont récemment émergé comme une solution innovante pour améliorer la productivité des processus de moulage, excédant les systèmes de refroidissement traditionnels. Ces CCC sont fabriqués grâce à des méthodes de fabrication additive, notamment la fusion sur lit de poudre (PBF). Cependant, le PBF, ayant une complexité thermique et des taux de refroidissement rapides, génère une microstructure déséquilibrée qui affecte les propriétés mécaniques des alliages d'acier, y compris l'acier H13. Malgré les avantages potentiels du PBF, des paramètres de fabrication mal adaptés peuvent entraîner des défauts dans l'acier H13, comme des contraintes résiduelles élevées, une ségrégation élémentaire et une structure principalement martensitique. Ces défauts compromettent la résistance mécanique du matériau, le rendant inadapté aux exigences de l'industrie du moulage. L'objectif principal de cette thèse est d'optimiser les propriétés mécaniques de l'acier H13 fabriqué par PBF pour satisfaire aux besoins de l'industrie du moulage. Le premier objectif est de mener une revue de la littérature sur la microstructure et le comportement mécanique de l'acier H13 fabriqué par PBF. Le second objectif est d'explorer les paramètres de processus affectant la porosité, la microstructure et les propriétés mécaniques. Le troisième objectif est d'analyser les effets des paramètres de post-traitement thermique sur la microstructure et les propriétés mécaniques. La méthodologie de cette étude est divisée en trois phases. La phase 1 est sous forme d'une revue approfondie de la littérature sur la microstructure, le comportement mécanique et la résistance à la fatigue de l'acier H13 produit par PBF. Cette revue a mis en lumière les capacités et les limitations du PBF pour les composants en acier H13. La phase 2 a permis l'expérimentation sur les paramètres de processus pour évaluer leur impact sur la porosité, la microstructure et les propriétés mécaniques de l'acier H13. La troisième phase est l'étude des effets des paramètres de post-traitement thermique sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'acier H13, visant à améliorer sa durabilité et sa résistance mécanique. Un des résultats majeurs de cette recherche a permis l'identification d'une ségrégation élémentaire mésoscopique pendant le processus PBF, où les éléments d'alliage se sont regroupés vers les bords du bain de fusion. Ce phénomène est resté indétectable dans le matériau tel qu'il est construit et n'avait pas été signalé auparavant. Cependant, après le traitement thermique du matériau, ce phénomène est devenu évident par la formation de particules d'oxyde dans les zones où les éléments se sont regroupés en raison de leur forte affinité pour l'oxydation. Ces particules d'oxyde ont contribué à une résistance mécanique du H13 fabriqué par PBF inférieure à celle de l'acier H13 conventionnel. Un autre résultat important de cette étude a été la reconnaissance de l'importance du type de porosité et de son emplacement dans la résistance du matériau à la déformation plastique. Les porosités allongées (remarquées par "keyhole") près de la surface ont augmenté la susceptibilité du matériau à la formation de fissures et ont réduit sa ductilité. Une valeur optimisée des paramètres de traitement a permis de réduire la formation de porosité, en particulier près de la dernière couche imprimée. De plus, une corrélation entre la rugosité de surface et la ségrégation mésoscopique dans le matériau fabriqué par PBF a été établie. Lorsque les paramètres du traitement ont entraîné une forte entrée de chaleur, un bain de fusion instable avec une fusion non uniforme, appelée "Balling formation", est apparu, conduisant à une plus grande rugosité de surface. Plus ce phénomène était sévère, plus la ségrégation élémentaire était observée. Le motif de la formation de boules correspondai au motif de la formation d'oxyde. Ainsi, la qualité de surface servait d'indicateur de la ségrégation élémentaire dans le matériau fabriqué par PBF. Une autre découverte importante concernait les considérations post-traitement thermique pour le H13 fabriqué par PBF, en particulier concernant la croissance des particules d'oxyde pendant le traitement thermique. Comme pour le H13 conventionnel, dans le H13 fabriqué par PBF, l'augmentation de la température et du temps de revenu a amélioré la ductilité du matériau grâce à la transformation de la martensite dure en martensite revenue et à la précipitation des carbures; cependant, dans le H13 fabriqué par PBF, cela a également augmenté la taille des particules d'oxyde, ce qui a réduit la ductilité du matériau. La plage de température de revenu optimale a été déterminée à 500-550°C. Enfin, un traitement de recuit avant le revenu a été recommandé pour réduire les contraintes internes causées pendant le processus PBF avant le traitement de revenu. Cette thèse offre une exploration complète des relations complexes entre le processus PBF, la microstructure et les propriétés de l'acier H13. Elle apporte des connaissances précieuses pour l'amélioration et l'optimisation des matériaux utilisés dans la fabrication des moules d'injection. La découverte de la ségrégation élémentaire mésoscopique constitue une contribution unique, ouvrant la voie à de futures recherches et avancées dans la fabrication additive et la science des matériaux. -- Mot(s) clé(s) en français : PBF, SLM, Acier à outils H13, Porosité en trou de serrure, Porosité gazeuse, Traitement de recuit, Traitement de revenu, Oxydation, Ségrégation élémentaire des alliages. --
ABSTRACT : H13 tool steel is widely used for injection molds due to its exceptional resistance to thermal fatigue, particularly at high temperatures. Conformal cooling channels (CCCs) have recently emerged as an innovative solution to improve the productivity of molding processes, surpassing traditional cooling systems. These CCCs are manufactured using additive manufacturing methods, particularly powder bed fusion (PBF). However, PBF, with its thermal complexity and rapid cooling rates, generates an unbalanced microstructure that affects the mechanical properties of steel alloys, including H13. Despite the potential advantages of PBF, poorly adapted manufacturing parameters can lead to defects in H13 steel, such as high residual stresses, elemental segregation, and a primarily martensitic structure. These defects compromise the mechanical strength of the material, making it unsuitable for the requirements of the molding industry. The main objective of this thesis was to optimize the mechanical properties of H13 steel manufactured by PBF to meet the needs of the molding industry. The first goal was to conduct a literature review on the microstructure and mechanical behavior of H13 steel manufactured by PBF. The second goal was to explore the process parameters affecting porosity, microstructure, and mechanical properties. The third goal was to analyze the effects of post-heat treatment parameters on the microstructure and mechanical properties. The methodology of this study was divided into three steps. Step 1 consisted of an in-depth literature review on the microstructure, mechanical behavior, and fatigue resistance of H13 steel produced by PBF. This review highlighted the capabilities and limitations of PBF for H13 steel components. Step 2 involved experimenting with process parameters to evaluate their impact on porosity, microstructure, and mechanical properties of H13 steel. The objective was to determine the best manufacturing conditions. Step 3 was focused on the study of the effects of post-heat treatment parameters on the microstructure and mechanical properties of H13 steel, aiming to improve durability and mechanical strength. One of the major results of this research was the identification of mesoscopic elemental segregation during the PBF process, where alloying elements segregated towards the boundaries of the melt pool. This phenomenon remained undetectable in the as-built material and had not been previously reported. However, after the material was subjected to heat treatment, this phenomenon became evident through the formation of oxide particles in areas where elements had segregated due to their high affinity for oxidation. These oxide particles contributed to the lower mechanical strength of PBF-ed H13 compared to conventional H13. Another significant outcome of this study was the recognition of the importance of porosity type and location in the material's resistance to plastic deformation. Elongated porosities (remarked by keyholes) near the surface increased the material's susceptibility to crack formation and reduced its ductility. An optimized value of processing parameters was found to mitigate porosity formation, particularly near the final printed layer. Furthermore, a correlation between surface roughness and mesoscopic segregation in the PBF-ed material was established. When processing parameters resulted in high heat input, an unstable melting pool with non-uniform melting, referred to as "balling formation," occurred, leading to higher surface roughness. The more severe the phenomenon, the more elemental segregation was observed. The pattern of the balling formation corresponded to the pattern of the oxide formation. Thus, surface quality served as an indicator of elemental segregation in PBF-ed material. Another significant finding was regarding post-heat treatment considerations for PBF-ed H13, particularly concerning oxide particle growth during the heat treatment. Like conventional H13, in PBF-ed H13 increasing the tempering temperature and time increased the material's ductility du to the formation of tempered martensite and carbide precipitates; however, in PBF-ed H13, it also increased the size of oxide particles, which reduced the material's ductility. The optimal tempering temperature range was determined to be 500-550°C. Lastly, an annealing treatment prior to tempering was recommended to reduce internal stresses incurred during the PBF process before the tempering treatment. This thesis offers a comprehensive exploration of the complex relationships between the PBF process, microstructure, and properties of H13 steel. Valuable insights are provided for the improvement and optimization of materials used in injection mold manufacturing. The discovery of mesoscopic elemental segregation constitutes a unique contribution, paving the way for future research and advancements in additive manufacturing and materials science. -- Mot(s) clé(s) en anglais : PBF, SLM, H13 Tool Steel, Keyhole porosity, Gas porosity, Annealing treatment, Tempering treatment, Oxidation, Elemental alloy segregation.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Noureddine, Barka
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en ingénierie en vue de l'obtention du grade de Philosophie doctor (Ph. D.).
Mots-clés :	Acier à outils - Microstructure; Acier à outils - Propriétés mécaniques; Acier à outils - Traitement thermique; Fabrication additive; Porosité; Ségrégation (Métallurgie); Moules (Objets); H13; Porosité en trou de serrure; Porosité gazeuse; Fusion sur lit de poudre; Pbf; Fusion sélective au laser; Slm.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Date de dépôt :	30 janv. 2025 20:35
Dernière modification :	30 janv. 2025 20:35
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3213