Vincent JACQUIER : Conception et réalisation de revêtements métalliques avancés par projection laser assistée par thermodynamique

Résumé :
La fabrication additive multi-métallique par projection laser offre de nouvelles opportunités pour la création de composants de haute performance combinant des métaux aux propriétés différentes. Des obstacles limitent cependant la liberté de fabrication, comme l’existence d’incompatibilités entre certains couples de métaux, telles que l’apparition de phases intermétalliques fragiles ou encore la surchauffe des métaux moins réfractaires. Le contrôle du procédé est de plus rendu complexe en raison des nombreux phénomènes en jeu et des variations de la composition au cours de la fabrication. Dans ce travail, des revêtements combinant des métaux incompatibles ont été réalisés par projection laser, grâce à l’utilisation de métaux intermédiaires choisis à l’aide de la thermodynamique des phases à l’équilibre. L’analyse des premières fabrications a révélé l’importance du taux de refusion du bain avec la sous-couche, qui permet de générer un gradient de composition et d’éviter l’apparition de défauts à l’interface entre deux métaux dissimilaires. Un revêtement de tungstène sur cuivre, d’intérêt pour la réalisation de dissipateurs thermiques en environnement extrême, a finalement pu être obtenu grâce à l’insertion d’une succession de métaux miscibles entre les deux, ainsi que de gradients de composition à travers les couches. Ces gradients ont notamment permis l’augmentation progressive des températures des bains de fusion du cuivre jusqu’au tungstène. Des outils théoriques ont été développés et utilisés pour mieux comprendre l’impact des paramètres et l’évolution de phénomènes clés durant ces fabrications multi-matériaux complexes. Un modèle de simulation numérique à l’échelle du bain de fusion a notamment été construit, prenant en compte les phénomènes de conduction, de déformation et de dynamique du liquide, de vaporisation, ainsi que du mélange des éléments. Les différentes analyses ont permis de mettre en lumière l’importance de la puissance et de la température de fusion du bain sur la présence de poudre infondue dans les dépôts, l’influence de la vitesse de balayage sur la dissolution de cette poudre infondue dans le liquide, ainsi que l’évolution de la vaporisation d’éléments peu réfractaires lors du mélange entre des métaux dissimilaires. Ce travail contribue globalement à la construction d’une méthodologie générale pour la conception, la réalisation et l’analyse de fabrication additive multi-matériaux combinant des métaux dissimilaires.
 
Mots-clés :
fabrication additive, projection laser, revêtement, multi-matériaux, simulation

Composition du jury :
> Rapporteurs :
- M. Matthieu RAUCH, Maître de conférence, École Centrale de Nantes
- M. Hanlin LIAO, Professeur des Universités, Université de technologie de Belfort Montbéliard
> Examinateurs :
- M. Jean-Yves HASCOET, Professeur des Universités, École Centrale de Nantes
- Mme. Muriel CARIN, Professeure des Universités, Université Bretagne Sud
- M. Morgan DAL, Maître de conférence, ENSAM
- Mme. Salima BOUVIER, Professeure des Universités, Université de Technologie de Compiègne
> Direction de thèse :
- M. Julien ZOLLINGER, Directeur de recherche, Université de Lorraine, Institut Jean Lamour
- M. Wilfried PACQUENTIN, Chef de laboratoire, CEA Saclay
> Invités :
- Mme. Marianne RICHOU, Ingénieur-Chercheur, CEA Cadarache
- M. Christophe COLIN, Enseignant-Chercheur, MINES Paris