Contribution à l'optimisation des revêtements des moules de ...

DOCTORAT DE l'I.N.P.T.

Spcialit: Matriaux - Structure - Mcanique

DIACONU Gabriel Laboratoire: Centre de recherche Outillages Matriaux et Procds (CROMeP) Titre de la thse: Contribution loptimisation des revtements des moules de fonderie application aux outillages de coule centrifuge

Soutenue le:

8 Dcembre 2004

Directeur de thse: Farhad REZAI-ARIA

Co-directeur : Gilles DOUR

JURY : M . J.J Serra Directeur centre de recherche DGA Rapporteur

M . P. Dufrenoy Professeur U. Techn. de Lille... Rapporteur

M . A. Andrieu Professeur INPT . Examinateur

M . F. Rezai Aria Professeur EMAC ... Examinateur

M . G. Dour MA EMAC ....... Examinateur

M . D. Girardin Docteur Ing R&D St Gobain PAM. Examinateur

MOTS CLES :

Thermal barrier, mechanical screening, thermal stresses, FGM, centrifugal casting

RESUME :

Lobjet de ce travail est damliorer la dure de vie des coquilles de centrifugation des tuyaux en fonte. Leur paroi interne est soumise des flux thermiques intenses (de lordre de quelques MW/m) durant plusieurs secondes. Lutilisation dun dpt cramique et / ou mtallique est envisage pour assurer la protection de cette surface. Afin dvaluer lintrt des revtements, notamment les dpts obtenus par projection thermique et par soudure, nous dveloppons une mthode dvaluation de flux thermique par mthode inverse partir des enregistrements de tempratures des coules exprimentaux. Nous analysons le comportement thermo-lastique de bi-matriaux en fonctions des paramtres comme : le rapport des conductivits thermiques des deux matriaux, le rapport des coefficients de dilatation thermique, le rapport de module de Young, la rsistance thermique de contact et lpaisseur de revtements. Nous avons essay doptimiser le revtement pour deux effets recherchs : lcran thermique pour protger le substrat et lcran thermo-mcanique pour assurer lintgrit de lassemblage. Nous tirons de la littrature, mesurons ou estimons les donnes ncessaires au calcul du champ de temprature et de contrainte dans un tel essai, savoir, pour lacier 20CD10, CuCrZr, Silk 414, Silk 34, Silk 113, ZrO2, NiCrAlY, WCCo, NB, la conductivit thermique, la chaleur massique, la diffusivit thermique, le coefficient de dilatation thermique, le module dYoung et la limite dlasticit. Nos dmarches nous ont permis de tracer des chartes pour faciliter le choix des revtements pour un substrat donn.

A mon pouse Florentina,

A ma Mre, mon Pre et mon Frre

Remerciements

5

Aucun travail nest possible dans lisolement. Les rencontres, les conseils et les

encouragements constituent des aides prcieuses souvent dcisives. Cest pourquoi je tiens

remercier ici tous ceux qui ont contribu ce travail parfois sans le savoir ou du moins

sans mesurer la port de leur influence.

Je souhaite tout dabord remercier Monsieur le Professeur Farhad REZAI-ARIA, de

mavoir accueilli parmi ses lves, et davoir ainsi bien voulu partager avec moi sa passion

pour la recherche. La rigueur du raisonnement, le refus de toute ide prconue, la remise

en question perptuelle mme de ce qui semble tabli, demeure mes yeux les points forts

de son enseignement et de ses directions de recherche. Cette thse lui doit beaucoup.

Je suis trs reconnaissant Monsieur Jean - Jaques SERRA, Directeur de centre de

recherche de la DGA situ Odeillo - Font Romeu, qui a bien voulu accepter de faire partie

de ce jury et de faire un rapport sur mon travail.

Je remercie grandement Monsieur le Professeur Philippe DUFRENOY, Universit de

Sciences et Technologies de Lille, qui a bien voulu accepter de faire partie de ce jury et de

faire un rapport sur mon travail.

Je tiens remercier Monsieur le Professeur Eric ANDRIEU, Responsable de laxe de

recherche Transformations de phase au laboratoire CIRIMAT INP Toulouse, qui malgr ses

responsabilits a bien voulu sintresser mon travail et prsider ce jury.

Je suis extrmement reconnaissant Monsieur Gilles DOUR, Matre Assistant

CROMEP, Ecole des Mines dAlbi - Carmaux, davoir bien voulu partager avec moi ses

rflexions sur le comportement des matriaux, en particulier en ce qui concerne la fonderie.

Je le remercie aussi pour ses avis, sa bienveillance au cours de mes recherches, sa grande

disponibilit, et sa participation ce jury.

Je suis extrmement reconnaissant Monsieur Denis Girardin, Docteur Ingnieur

R&D St Gobain PAM, pour ses conseils aviss au cours de mes recherches, et sa

participation ce jury.

Contribution loptimisation des revtements des moules de fonderie

6

Tous les chercheurs connaissent des priodes de doute, dans ces moments le soutien

discret dune famille est essentiel. Je remercie pour cela mon pouse Florentina, mes

parents et mon frre Daniel.

Des solides amitis sont aussi un refuge et une force. Un grand merci donc mes

amis Alexandre Martinier et Carol Goalard pour nos nombreuses discussions et pour leurs

encouragements.

Pour leur aide, pour les discussions que jai pu avoir avec eux, je remercie Christine

Arancet, Esthere Ramirez, Christine Boher, Pascale Lamesle, Serge Tovar, Fabrice Rossi

que ceux que joublie ici me pardonnent.

Sommaire

Sommaire: Introduction ...................................................................................................17

1. Introduction ltude............................................................................... 21

1.1. Limplication industrielle de ltude ...............................................................22

1.1.1. Installation de coule par centrifugation horizontale [10] .........................22

1.1.1.1. La machine centrifuger...................................................................23

1.1.1.2. Les coquilles de centrifugation..........................................................23

1.1.1.3. Le systme dalimentation.................................................................25

1.1.1.4. Le systme dextraction ....................................................................25

1.1.2. Fabrication dun tuyau .............................................................................26

1.1.2.1. Inspection et essais sur les tuyaux ...................................................28

1.1.3. Position du problme industriel, choix des matriaux..............................28

1.1.3.1. L'ovalisation ......................................................................................29

1.1.3.2. Le faenage .....................................................................................29

1.1.3.3. La fissuration.....................................................................................30

1.1.4. L'enjeu industriel......................................................................................31

1.1.4.1. Synthse des travaux ralises au CRD de Saint Gobain PAM .........32

1.2. Les procds utiliss pour obtenir des recharges.........................................40

1.2.1. Le dpt par voie humide ........................................................................41

1.2.2. La dposition par la voie sche ...............................................................44

1.2.2.1. Projection Thermique ........................................................................44

1.2.2.2. Rechargement par soudure [46] .......................................................46

1.2.2.3. Dpts chimiques en phase vapeur CVD [25] ..................................47

1.2.2.4. Dpts physiques en phase vapeur PVD [25]...................................50

1.3. Techniques exprimentales et modles appliques aux revtements..........53

1.4. Mthode prconise pour aborder cette tude .............................................62

2. Mesures exprimentales......................................................................... 65

2.1. Mesures de temprature...............................................................................66

2.2. Techniques pour dterminer les proprits physiques des rechargements

massifs et des revtements fins .........................................................................................81

2.2.1. Techniques pour dterminer les proprits mcaniques des matriaux

solides 81

7


2.2.1.1. Module dlasticit [85-87].................................................................81

2.2.1.2. Essai de traction................................................................................82

2.2.1.3. Essai de duret .................................................................................83

2.2.1.4. Mesures des contraintes rsiduelles .................................................91

2.2.1.5. Essai de dilatation thermique ..........................................................101

2.2.2. Techniques pour dterminer les proprits thermiques des matriaux

solides 102

2.2.3. Les mesures de rsistance thermique de contact (RTC) entre deux

solides 112

2.2.3.1. Dfinition de la RTC ........................................................................112

2.2.3.2. Dispositif exprimental de mesures de la RTC ...............................113

2.2.3.3. Les chantillons tests et les rsultats ............................................115

2.3. Synthse .....................................................................................................117

3. Modlisation des problmes thermo-mcaniques de ltude ................ 119

3.1. Modlisation thermique...............................................................................120

3.1.1. Modlisation thermique directe dune coquille mono-matriau ..............120

3.1.1.1. Schmatisation par les quadriples thermiques [171] .....................120

3.1.1.2. Calcul thermique dun cas mono-matriau ......................................123

3.1.2. Modlisation thermique directe dune coquille bi-matriau ....................124

3.1.2.1. Calcul thermique dans lpaisseur de "matriau 1" .........................127

3.1.2.2. Calcul thermique dans lpaisseur de "matriau 2" .........................128

3.1.3. Modlisation thermique dune coquille multi-matriaux .........................130

3.1.3.1. Calcul thermique dans le "matriau i"..............................................132

3.1.4. Modlisation dun problme inverse ......................................................133

3.2. Modlisation thermomcanique ..................................................................136

3.2.1. Modlisation thermomcanique de la coquille mono-matriau. .............136

3.2.2. Modlisation thermomcanique de la coquille bi-matriaux...................137

3.2.3. Modlisation thermomcanique de coquille multi-matriau. ..................140

3.3. Principe de l'adimensionalisation ................................................................144

3.3.1. Normalisation dans le cas du cylindre mono-matriau: .........................144

3.3.2. Normalisation dans le cas des cylindres bi-matriau .............................147

3.4. Dveloppement informatique ......................................................................151

4. Discussion............................................................................................. 153

4.1. Application du modle bi-matriaux ............................................................155

8

Sommaire

4.1.1. Cas dtude bi-matriaux cuivre/acier ...................................................155

4.1.1.1. Modlisation thermomcanique pour le cas bi-matriaux ...............160

4.1.2. Cas dtude bi-matriaux avec recharges mtalliques ..........................170

4.1.2.1. Les volutions des tempratures ....................................................173

4.1.2.2. Les volutions des contraintes radiales rr......................................174

4.1.2.3. Les volutions des contraintes ortho-radiales () .........................177

4.2. Le calcul thermomcanique pour le cas dune coquille cramique .............181

4.2.1. Le cas dtude ZrO2/NiCrAlY .................................................................181

4.3. Les rsultats de ladimensionalisation pour le cas bi-matriaux .................190

5. Conclusions et perspectives ................................................................. 197

6. Bibliographie ......................................................................................... 203

7. Annexe.................................................................................................. 213

Annexe 1. Gomtrie de la coquille exprimentale ..........................215

Annexe 2. Procdes de dposition thermique................................216

Annexe 3. Les types des capteurs thermiques.................................222

Annexe 4. Estimation de ltat des contraintes rsiduelles aprs les

tests de fatigue thermique...........................................................................227

Index des Figures

Figure 1.1. Schma dune installation de centrifugation [10]..................................................23

Figure 1.2. Microstructure bainitique de la coquille................................................................24

Figure 1.3. Profil de la surface aprs le martelage. [10] ........................................................24

Figure 1.4. Schma du systme de coule pendant la phase de remplissage de moule [10]25

Figure 1.5. Le schma dune demi-coquille suivant son axe de symtrie [10] .......................25

Figure 1.6. Schma du systme dextraction du tuyau [10] ...................................................25

Figure 1.7. Aspect micrographique de la fonte graphite sphrodal...................................26

Figure 1.8. Lempreinte d rseau bidimensionnel de fissures observable sur la surface

externe dun tuyau ..........................................................................................................29

Figure 1.9. Le cycle thermique schmatis sur la surface interne de la coquille [10] ............30

Figure 1.10. Le bout uni d'une coquille aprs le dcricage [10] .............................................32

Figure 1.11. Rseau de faenage sur une coquille [10]........................................................33

Figure 1.12. Histogramme des profondeurs de fissures (d = 4.19 mm) [10] .........................33

9


Figure 1.13. Rseau de faenage fin [10] .............................................................................34

Figure 1.14. Aspect dune fissure du rseau principal vu en coupe [10] ................................34

Figure 1.15. Fissure transgranulaire [10] ...............................................................................35

Figure 1.16. Linstallation de coule centrifuge exprimentale schmatise [10]...................38

Figure 1.17. Evolution du coefficient dchange tuyau coquille pour deux coefficients de

trempe [22]......................................................................................................................40

Figure 1.18. Reprsentation schmatique dun magntron [49].............................................52

Figure 1.19. Etat des surfaces aprs les tests en LCF et HCF [55] .......................................54

Figure 1.20. Les domaines dendommagement en fonction du gradient thermique [51].......55

Figure 1.21. Progression de lendommagement des revtements par la formation et

croissance dune couche dalumine linterface entre PSZ et le liant [60]......................56

Figure 1.22. Exemple dun lment Voronoi [65, 66] .............................................................57

Figure 1.23. Exemple des lments hexagonaux [67, 68] .....................................................58

Figure 1.24. Optimisation dun revtement pour rsistance thermique [79] ...........................62

Figure 1.25. Optimisation dun revtement pour rsistance thermique [80] ...........................62

Figure 1.26 .Le schma des diffrentes tapes de ltude.....................................................63

Figure 2.1. Lestimation du temps de rponse dun thermocouple [81] ..................................68

Figure 2.2. Types de jonction pour les thermocouples engains ...........................................68

Figure 2.3. Lvolution du temps de rponse intrinsque dun thermocouple en fonction du

diamtre et du positionnement de la soudure chaude [81] .............................................68

Figure 2.4.Exemplification schmatique des trois effets qui influencent la mesure [82].........69

Figure 2.5. Chemins suivis pour raliser limplantation des thermocouples ...........................72

Figure 2.6. Profondeurs dimplantation des thermocouples ...................................................72

Figure 2.7. Capteur thermique propos .................................................................................73

Figure 2.8. Profil des tempratures enregistres sur une coquille en acier ; emplacement des

thermocouples radial.......................................................................................................74

Figure 2.9. Profil des tempratures enregistres sur une coquille en acier ; emplacement des

thermocouples tangentiel................................................................................................74

Figure 2.10. Profil des tempratures enregistres sur une coquille en cuivre ; emplacement

des thermocouples radial................................................................................................75

Figure 2.11. Profil des tempratures enregistres sur une coquille en acier ; emplacement

des thermocouples tangentiel .........................................................................................75

Figure 2.12. Influence de mode dimplantation ......................................................................76

10

Sommaire

Figure 2.13. Influence du positionnement du premier thermocouple sur le calcul de flux

thermique, instrumentation tangentielle ..........................................................................76

Figure 2.14. Le type de thermocouple utilis pour mesurer les tempratures [9] ..................77

Figure 2.15. Emplacement des thermocouples......................................................................77

Figure 2.16. Thermocouple dbouchant la surface de la coquille revtue NB/WCCo ........78

Figure 2.17. Profil des tempratures enregistres sur coquille revtue NB/WCCo................78

Figure 2.18. Profil des tempratures enregistres avec coquille revtue NB/WCCo .............79

Figure 2.19. Coefficient dchange linterface fonte / coquille pour la coquille revtue

NB/WCCo .......................................................................................................................80

Figure 2.20. Prlvement des chantillons ............................................................................82

Figure 2.21. La gomtrie des prouvettes utilises .............................................................83

Figure 2.22. Exemple de courbe dindentation [88]................................................................84

Figure 2.23. Modles de comportement des dpts et de substrat pendant lindentation [89]

.......................................................................................................................................85

Figure 2.24. Gomtrie des tests Vickers et Berkovich [97] ..................................................88

Figure 2.25. Linfluence des irrgularits surfacique et des pores [98] ..................................89

Figure 2.26. Gomtrie dchantillon utilis pour les essais dindentation.............................90

Figure 2.27. Lvolution de la charge avec le dplacement pendant des essais dindentation

.......................................................................................................................................90

Figure 2.28. Lvolution du module dYoung valu au cours des essais dindentation ........91

Figure 2.29. Dfinition du repre de mesure en diffraction X.................................................94

Figure 2.30. Loi de sin 2 .....................................................................................................94

Figure 2.31. Aspect de la surface aprs llctropolissage....................................................96

Figure 2.32. Profil de la contrainte rsiduelle radiale en fonction lpaisseur ........................97

Figure 2.33. Lvolution de la contrainte rsiduelle sur la direction Z suivant lpaisseur ......97

Figure 2.34. Lvolution de la contrainte rsiduelle ortho-radiale suivant lpaisseur ............98

Figure 2.35. Dformation de la demi coquille lors de la coupe ..............................................98

Figure 2.36. Emplacement des jauges de contrainte.............................................................99

Figure 2.37. Les lments dune jauge de contrainte [111] ...................................................99

Figure 2.38. Schma de principe du fonctionnement du dilatomtre diffrentiel [112].........101

Figure 2.39. Schma de principe du fonctionnement du dilatomtre [113] ..........................102

Figure 2.40. Schma de principe du microscope photothermique [162] ..............................107

11


Figure 2.41. BAPTEM , Banc dAnalyse des Proprits Thermiques lEchelle

Microscopique [162]......................................................................................................108

Figure 2.42. Principe de la mesure par fonction de transfert, allure des courbes de

dphasage [162] ...........................................................................................................109

Figure 2.43. Principe de la mesure par distribution spatiale, allure des courbes de dphasage

[162]..............................................................................................................................109

Figure 2.44. Mesure de la diffusivit pour 20CD10 par photorflexion module ( gauche :

positionnement un offset D = 6 m ; droit : lvolution de la phase avec la frquence

et comparaison avec une courbe thorique pour 1,01910-5 m/s)...............................110

Figure 2.45. La variation de la phase avec la frquence pour diffrents offset (cas WCCo)111

Figure 2.46. La variation de la phase avec la frquence pour diffrents offset (cas NB) .....111

Figure 2.47. La dfinition de la rsistance thermique de contact entre deux solides en rgime

permanent et contact statique [164]..............................................................................112

Figure 2.48. Schma de dispositif exprimental de Saint-Gobain PAM...............................114

Figure 2.49. Schma du fluxmtre de CRD de Saint-Gobain PAM......................................114

Figure 2.50. Prlvement et quipement dun chantillon ...................................................115

Figure 3.1. Reprsentation gomtrique du modle mono-matriau ...................................120

Figure 3.2. Le problme de transfert thermique pour le cas mono-matriau........................123

Figure 3.3. Reprsentation gomtrique du modle bi-matriau .........................................125

Figure 3.4. Le problme de transfert thermique dans le "matriau 1" ..................................127

Figure 3.5. Le problme de transfert thermique dans le "matriau 2" ..................................128

Figure 3.6. Reprsentation gomtrique du mode bi-matriau ..........................................130

Figure 3.7. Le problme de transfert thermique dans le "matriau i" ...................................132

Figure 3.8. Lvolution de flux thermique value avec une mthode inverse (ZrO2 / NiCrAlY /

20CD10) .......................................................................................................................135

Figure 3.9. Lvolution de flux thermique value avec une mthode inverse (NB / WCCo /

20CD10) .......................................................................................................................135

Figure 3.10. Lquilibre mcanique au voisinage de linterface (cas bi-matriaux) ..............138

Figure 3.11. La contrainte thermique la surface sollicit thermiquement dun cylindre

[182]..............................................................................................................................146

Figure 3.12. Logiciel THERMOSTRESS choix de gomtrie et de model ........................151

Figure 3.13. Logiciel THERMOSTRESS choix de sollicitation thermique .........................151

Figure 3.14. Logiciel THERMOSTRESS reprsentation graphique des rsultats .............152

12

Sommaire

Figure 4.1. L'volution de la temprature avec le temps pour une position de l'interface 4

mm entre l'acier et l'alliage de cuivre, Rc=10-5mK/W...................................................156

Figure 4.2. L'volution de la temprature avec le temps pour une position de l'interface 4

mm entre l'alliage de cuivre et l'acier, Rc=10-5mK/W...................................................156

Figure 4.3. L'volution de la temprature dans lpaisseur pour une position de l'interface 4

mm entre l'acier et l'alliage de cuivre pendant le chauffage (0 5s).............................157


mm entre l'alliage de cuivre et l'acier pendant le chauffage (0 5s) ............................158


mm entre l'acier et l'alliage de cuivre aprs le chauffage (de 5 60s)..........................158


mm entre l'alliage de cuivre et l'acier aprs le chauffage (de 5 60s)..........................159

Figure 4.7. L'volution de la temprature maximale avec la position de linterface, pour

diffrentes valeurs de la rsistance thermique .............................................................160

Figure 4.8. Variation de la contrainte radiale avec lpaisseur pour une position de l'interface

4 mm entre l'acier et l'alliage de cuivre, Rc=10-5mK/W.............................................161

Figure 4.9. Variation de la contrainte radiale avec lpaisseur pour une position de l'interface

4 mm entre l'alliage de cuivre et l'acier, Rc=10-5mK/W.............................................161

Figure 4.10. L'volution de contrainte radiale maximale avec la position de l'interface et la

rsistance thermique de contact...................................................................................163

Figure 4.11. L'volution de la contrainte tangentielle avec la lpaisseur pour une position de

l'interface 4 mm entre l'alliage de cuivre et l'acier (RTC=10-5mK/W) ........................165

Figure 4.12. L'volution de la contrainte tangentielle avec lpaisseur pour une position de

l'interface 4 mm entre l'acier et l'alliage de cuivre (RTC=10-5mK/W) ........................166

Figure 4.13. Variation de contrainte tangentielle maximale avec la position de l'interface et le

RTC pour le cas cuivre/acier ........................................................................................167

Figure 4.14. Variation de contrainte tangentielle maximale avec la position de linterface et le

RTC pour le cas acier/cuivre ........................................................................................167

Figure 4.15. Schma du simulateur de fatigue thermique du CRD Saint-Gobain PAM .......171

Figure 4.16. Les variations des flux thermiques appliqus dans la simulation

thermomcanique des essais de fatigue thermique pour les 3 rechargements tudies173

Figure 4.17. Evolution de temprature avec le temps sur la surface interne et externe pour

les 3 rechargements tudies.........................................................................................174

13


Figure 4.18. Evolution des contraintes radiales avec lpaisseur pour les diffrents instants

stratgiques ..................................................................................................................175

Figure 4.19. Evolution des contraintes radiales avec la temprature...................................176

Figure 4.20. Exemple dvolution des contraintes tangentielle avec lpaisseur diffrents

instants, pour le Silk 34.................................................................................................177

Figure 4.21. Evolution des contraintes tangentielle avec la temprature.......................179

Figure 4.22. Evolution des contraintes tangentielle avec la temprature de part et dautre

des interfaces rechargement / substrat.........................................................................180

Figure 4.23. Laspect de la surface aprs quelques coules : initial et aprs 2, 7, 8,9 et 10

coules [184] ................................................................................................................182

Figure 4.24. Ltat final de la surface revtue Zr02/NiCrAlY aprs 10 coules [184]............183

Figure 4.25. Photo MEB en lectrons- rtrodiffuss sur coupe micro. Aspect des fragments

de cramique en surface de virole [184] .......................................................................183

Figure 4.26. Illustration de la fissuration dans l'paisseur de la cramique [184] ................184

Figure 4.27. Lvolution de la temprature dans le moule pour le flux Figure 3.8 ................185

Figure 4.28. La contrainte radiale dans le matriau de base, contrainte initiale ou rsiduelle

de fabrication mise zro.............................................................................................186

Figure 4.29. La contrainte radiale dans le dpt ..................................................................187

Figure 4.30. La contrainte ortho-radiale dans le moule........................................................188

Figure 4.31. La contrainte ortho-radiale dans le dpt.........................................................189

Figure 4.32. Lvolution de la temprature et de contrainte ortho-radiale coquille mono-

matriau en acier ..........................................................................................................189

Figure 4.33. Lvolution de la temprature maximale adimensionn sur la surface interne

(cot chauffage) ............................................................................................................191

Figure 4.34. Variation de la contrainte radiale(en compression) ..........................................192

Figure 4.35. Variation de la contrainte radiale (en traction)..................................................192

Figure 4.36. Variation de la contrainte tangentielle (en compression) .................................193

Figure 4.37. Variation de la contrainte tangentielle (en traction) ..........................................193

Figure 7.1. Le procde de dposition par plasma schmatis [38] ....................................216

Figure 7.2. Le procde de dposition LVOF schmatis [38] ............................................217

Figure 7.3. Le procde dposition thermique par fil schmatis [38] .................................218

Figure 7.4. Le procde de dposition HVOF schmatis [38]............................................218

Figure 7.5. Le procde de dposition SCD schmatis .....................................................219

14

Sommaire

Figure 7.6. Le procde de dposition par arc lectrique schmatis.................................221

Figure 7.7. Thermocouple schmatis.................................................................................222

Figure 7.8. Types de jonction pour les thermocouples engaines .......................................223

Figure 7.9. Sonde rsistance thermistance.......................................................................224

Index des Tableaux

Tableau 1.1. Composition chimique de lacier 20CD10 [10] ..................................................24

Tableau 1.2. Les techniques de dposition par projection thermique ....................................45

Tableau 1.3. Les techniques de dposition par soudure [47].................................................46

Tableau 2.1. Les rsultats obtenus dans les essais de traction pour 20CD10 (EMAC).........83

Tableau 2.2. Les rsultats obtenus dans les essais de traction pour les trois matriaux de

rechargements Silk 113, 34, 414 (Saint Gobain PAM) ...................................................83

Tableau 2.3. Donnes mcaniques obtenues partir dessais dindentation sur NB dpos sur

20CD10/WCCo...............................................................................................................91

Tableau 2.4. La composition et des donnes sur les matriaux utilises [110] .....................95

Tableau 2.5. Les contraintes rsiduelles suivant les directions principales .........................100

Tableau 2.6. Comparaison des mthodes priodiques en termes de dtectivit (amplitude en

kelvin pour avoir un signal gal au bruit de mesure dfini sur une bande passante de

1Hz) [161]. ....................................................................................................................106

Tableau 2.7. Les diffusivits thermique obtenues par photorflexion module (10-5 m/s) ..112

Tableau 2.8. Donnes sur les chantillons ..........................................................................115

Tableau 2.9. Les rsultats de mesures de RTC...................................................................116

Tableau 2.10. Donnes sur les matriaux utiliss dans les applications ...............................117

Tableau 4.1. La composition et des donnes sur les matriaux utilises [110] ...................171

15

Introduction

Introduction

Aujourd'hui les objectifs techniques et conomiques des industriels de tous les

secteurs vont dans le sens de la rduction des cots, de l'amlioration des performances et

de la productivit. Les pices constitutives de machines ou quipements doivent rsister

des sollicitations nombreuses :

sollicitations internes : contraintes mcaniques, fatigue, fluage... ;

sollicitations externes : frottement, abrasion, temprature, rosion, frettage... ;

sollicitations environnementales : corrosion, oxydation, attaque chimique,

chaleur...

Depuis plusieurs dizaines dannes, les concepteurs et les utilisateurs sont de plus en

plus proccups par la durabilit des pices, de telle sorte qu'aux exigences correspondant

aux fonctions de base, se superposent aujourd'hui le plus souvent des critres de rsistance

l'usure, la corrosion, la fatigue, etc.

Dans les applications industrielles, les outillages monomatriaux ne sont pas

nombreux. Trs souvent des traitements et des revtements de surface des matriaux sont

utiliss pour amliorer les caractristiques de surface des pices et pour permettre leur

17


utilisation en conditions svres. Laspect conomique est important car celles-ci sont les

principaux moyens de rpondre deux fonctions primordiales: la prvention de la corrosion

et celle de lusure. Aux deux fonctions nonces, il faut en ajouter certaines autres qui

conditionnent lutilisation des pices dans lenvironnement o elles vont travailler :

lamlioration de laspect, la conductibilit ou lisolation lectrique, la conductibilit ou

lisolation thermique (TBC), lamlioration des caractristiques de glissement, la soudabilit,

la modification des proprits optiques, lisolation aux rayonnements, la rsistance

loxydation haute temprature. Ces fonctions doivent tre accomplies pour atteindre les

objectifs de fiabilit et de rentabilit exigs dans lindustrie.

Dans cette tude, nous avons tudies les rechargements et revtements utiliss

comme barrire thermique et plus spcialement ceux qui sont utiliss dans lindustrie

mtallurgique [1-3]. Dans ce milieu les revtements, appels aussi poteyages, sont utiliss

spcialement pour moduler les changes moule/pice lors de la solidification, pour viter la

pice un refroidissement trop rapide et pour protger le moule mtallique contre diverses

agressions (usure, chocs thermiques). La dgradation trop rapide des rechargements a des

consquences pnalisantes pour lutilisateur : les rebuts imputables au poteyage dgrad,

des arrts ponctuels ou prolongs des chantiers de fabrication pour retouche localise ou

renouvellement complet du poteyage [4].

La fonction disolation thermique est utilise aussi dans les turbines ou les moteurs

diesel [5-7]. Lutilisation de ces revtements est forte strictement comme barrire thermique

avec le but daugmenter la durabilit des assemblages. Lutilisation du potentiel de barrire

thermique savre difficile d au manque d'une prvision fiable de la dure de vie. Une

solution est envisage par lutilisation des matriaux gradient fonctionnel (les FGM) pour

rduire les contraintes thermiques, leur localisation dans des endroits critiques et le saut de

contrainte au niveau de linterface. Mais leur fabrication reste complexe.

En service, les rechargements employs pour leur fonction disolation thermique sont

exposes diverses contraintes thermiques et mcaniques tels que des cycles thermiques,

des cycles de fatigue, de la corrosion et de lrosion chaud. Leur dure de vie est courte

pour cause de rupture ou dcaillage des couches TBC. Dautres causes de la rupture des

couches TBC et de leur caillage sont leffet de la rugosit de la surface et celui de la

pntration de l'oxygne et du soufre le long des frontires de grain.[8]

Pour leur fonction comme barrire thermique, le choix dun revtement est

habituellement ralis seulement par rapport ses proprits thermiques. Ltude prsente

18

Introduction

dans ce compte-rendu regarde les fonctions analytiques et surtout les relations thermo-

mcaniques entre les substrats et les revtements pour le cas dune gomtrie simple,

cylindrique. Comme appui dans ce projet, nous avons travaille sur le problme industriel des

moules de fonderie centrifuge de tuyaux en fonte. Ce type de procd est svre pour les

outillages, et la dure de vie de ceux-ci est courte par rapport dautres procds proches.

Pour rsoudre ce problme rel et omniprsent dans toutes les applications

industrielles, deux solutions sont envisages :

o changer le matriau des coquilles actuellement utilis ou

o trouver des matriaux appropris pour protger la surface travaillante de

loutillage.

La premire solution a fait dj lobjet de ltude ralise pour la mme application

industrielle dans le cadre dun DEA [9]. La solution alors envisage a montr des rsultats

encourageants. Cependant changer le matriau des coquilles a des implications fortes sur

toute la chane de production des coquilles et une valuation du cot, qui na pas fait lobjet

de ltude dans [9], savre trs importante. En consquence, un tel changement savre

bien plus lourd lchelle industrielle que la simple recherche de nouveaux fournisseurs des

coquilles.

La deuxime approche est lobjet de cette tude. Le premier chapitre de ltude prsente le

contexte scientifique et technique. En premier lieu nous prsentons le problme industriel.

Ensuite, un bilan sur les procds utiliss pour obtenir un rechargement de surface est fait.

Une tude bibliographique est tendue aux rsultats exprimentaux et des modlisations

ralises ce jour pour les revtements.

Un second chapitre est consacr aux mthodes de mesure utilises et aux rsultats

obtenus pour le bon droulement de ce projet. Les mthodes utilises pour caractriser du

point de vue thermique et mcanique les revtements feront aussi lobjet dtude dans ce

chapitre.

Les calculs utiliss pour raliser les simulations numriques thermo-lastiques sont

prsents dans le troisime chapitre. Cette partie contient aussi les relations tablies pour

raliser une analyse thermomcanique adimensionnelle applicable des moules de

centrifugation rechargs lintrieur.

Le quatrime chapitre est utilis pour prsenter les rsultats obtenus pour les cas

particuliers analyss et pour une discussion plus dtaille de ltude.

19

Introduction

1. Introduction ltude

Ce chapitre se veut une introduction de la problmatique industrielle de ltude. Une

prsentation dtaille du problme industriel est ralise. La prsentation continue sur les

procds pour obtenir des revtements, sur les rsultats exprimentaux et de modlisations

obtenues pour des surfaces recharges. La dmarche utilise pour raliser cette tude

conclue cette partie.

21


1.1. Limplication industrielle de ltude La socit Saint Gobain PAM est lunique fournisseur franais des tuyaux en fonte

ductile. Ces tuyaux sont raliss par un procd de centrifugation horizontale.

La centrifugation est utilise pour la coule de pices de rvolution dont laxe est

confondu avec laxe de rotation du moule. Lpaisseur de la pice est dtermine par les

dimensions du moule et la quantit dalliage coul. Le moule est, la plupart du temps,

mtallique : en acier pour la fabrication des tuyaux, en fonte perlitique non allie pour des

pices plus importantes, autres que des tuyaux.

La coule par centrifugation consiste mettre un moule en rotation grande vitesse,

et introduire le mtal liquide dans ce moule. Le mtal est dvers chaud et fluide en

spirale. Il se transforme immdiatement en une couche rgulire et continue de mtal liquide,

maintenue sous forme cylindrique par les forces centrifuges cres par la rotation de la

coquille. Cette force, tant applique pendant toute la solidification de lalliage, aide

compenser le retrait, donc limiter les dfauts du type retassure. La structure du mtal est

plus fine et plus compacte que celle du mtal coul par gravit. Simultanment, la coquille

est refroidie depuis lextrieur afin dabsorber la chaleur et dabaisser la temprature du

mtal liquide vers sa temprature de solidification (environ 1150 C). La vitesse de rotation

joue un rle important. Selon lalliage coul, le genre de pice, cette vitesse varie entre 200

et 1000 tours par minute, pour des acclrations de lordre de 50-65 g voir 100g suivant les

diamtres utiliss.

1.1.1. Installation de coule par centrifugation horizontale [10]

Une installation de centrifugation horizontale comprend trois parties caractristiques :

le systme de rotation et de refroidissement de la coquille, le systme dalimentation en

mtal une extrmit, et le mcanisme dextraction du tuyau lautre. Tous ces lments

sont fixs sur un cadre rigide et lgrement inclin. Le systme dalimentation et dextraction

peuvent se mouvoir en translation (Figure 1.1).

22

Introduction

Moteur de rotation Le moule

La chemise

Goulotte de

dversement Noyau demboture

Figure 1.1. Schma dune installation de centrifugation [10]

1.1.1.1. La machine centrifuger La machine centrifuger est une grosse chemise dans laquelle tourne la coquille

mtallique ; lespace situ entre la coquille et la chemise sert refroidir la coquille, soit en

projetant de leau sous pression sur la coquille en rotation le long dune ou plusieurs

gnratrices, soit en faisant circuler de leau sous pression. A lextrmit ct emboture de

la coquille, il y a un systme de fixation du noyau ncessaire lobtention du profil intrieur

de lemboture du tuyau. Sont galement fixs sur la machine la pompe eau de

refroidissement, les moteurs de rotation et de translation, ainsi que diffrents accessoires.

1.1.1.2. Les coquilles de centrifugation Pour les tuyaux de petit diamtre (infrieur 300 mm), les coquilles de

centrifugation sont fabriques elles-mmes par centrifugation dans une coquille mre.

Pour des diamtres suprieurs allant jusqu'au maximum 2 mtres, elles sont ralises

partir de pices forges sur mandrin, puis usines. Le mtal est labor au four arc. On

ralise un affinage loxygne pour abaisser la teneur en carbone et en phosphore; puis

on ajoute les lments dalliage pour obtenir un lingot. Diffrentes nuances dacier sont

utilises, mais elles sont toutes proches de la nuance 20CD10 [10].

23


Tableau 1.1. Composition chimique de lacier 20CD10 [10]

C Si P S Mn Cr Ni Mo Co Al

0.210 0.180 0.008 0.007 0.670 2.570 0.700 0.300 0.140 0.16

Une fois forge la coquille est traite thermiquement: [10]

- austnitisation durant 8 heures 930C

- trempe leau de 30mn pour former de la bainite

- revenu 630C

- refroidissement au four jusqu 350C (20C/h)

- refroidissement lair.

La microstructure finale est de type bainitique avec quelques grains de ferrite.

20 m

Figure 1.2. Microstructure bainitique de la coquilleLa coquille est finalement usine, et un traitement de martelage sur sa surface intrieure est

ralis avec un pistolet percussion. Ce traitement mcanique est ralis pour obtenir un

peening. Sa prsence est ncessaire pour laccrochage de la fonte liquide sur les parois de

la coquille. Le profil obtenu aprs ce traitement de la surface interne de la coquille est

prsent dans la Figure 1.3.

1,72 mm hmoyenne : 0.15 mm

Figure 1.3. Profil de la surface aprs le martelage. [10]

24

Introduction

1.1.1.3. Le systme dalimentation

Le systme dalimentation en mtal comprend une poche de fonte, un basket, un

dversoir, un canal de coule et diffrentes pices accessoires pour la prparation et le

nettoyage du canal de coule et pour linoculation du mtal. Lorsquil sagit de couler des

tuyaux de grand diamtre, tout le systme peut tre anim dun mouvement de translation

afin dintroduire le canal de coule lintrieur de la coquille en rotation ; pour les

diamtres plus petits, le systme dalimentation en mtal est en gnral fixe et linsertion

du canal de coule dans la coquille se fait par translation de la machine centrifuger

(Figure 1.4)

Figure 1.4. Schma du systme de coule pendant la phase de remplissage de moule [10]

1.1.1.4. Le systme dextraction Wet-Spray

Bout uniembotement

Figure 1.5. Le schma dune demi-coquille suivant son axe de symtrie [10] Aprs la coule et la solidification du tuyau, lextracteur pntre dans lemboture

(Figure 1.5), brise le noyau, agrippe le tuyau et le retire de la coquille sur des supports

roulants (Figure 1.6); les tuyaux de grand diamtre sont maintenus en rotation pendant

leur extraction afin dviter une dformation radiale sous linfluence de leur propre poids

haute temprature.

Figure 1.6. Schma du systme dextraction du tuyau [10]

25


1.1.2. Fabrication dun tuyau

Figure 1.7. Aspect micrographique de la fonte graphite sphrodal

La fonte utilise pour raliser les tuyaux est de type graphite sphrodal, connue

aussi sur le nom de fonte ductile. Cest un alliage fer/carbone/silicium dans lequel le carbone

existe ltat pur, sous forme de graphite sphrodal. Sa dcouverte ralise en 1943 a

reprsent une grande rvolution dans lindustrie mtallurgique. Lintroduction dune faible

quantit de magnsium dans la fonte grise permet de cristalliser le carbone non plus sous

forme de lamelles mais de sphrodes. Le graphite sphrodal confre la fonte des

proprits mcaniques exceptionnelles. Dune haute limite lastique (350 MPa) et surtout un

fort allongement (15%), les fontes savrent galement dune grande rsistance la traction

comme aux chocs.

Avant cette dcouverte les tuyaux taient produits en fonte grise graphite lamellaire.

La rsistance et la durabilit de la fonte grise ont t largement reconnues. En 1664, le roi

Louis XIV a fait construire un rseau de tuyaux en fonte grise devant transporter leau de la

station de pompage de Marly-sur-Seine aux fontaines et la ville de Versailles. Ces tuyaux

ont t en service pendant plus de 330 ans.

Lobservation micrographique de la fonte grise, montre que le carbone cristallise sous

forme de lamelles de graphite longues et troites. Celles-ci favorisent la concentration des

contraintes, sources potentielles damorces de fissures, lorsque le matriau est soumis des

contraintes de traction. Dans la fonte ductile, les particules de graphite apparaissent sous

26

Introduction

forme de sphres liminant les risques de propagation des fissures [11, 12]. Le matriau est

ductile et rsistant.

Pour rduire la trempe sous forme de cmentite et assurer la germination du graphite,

des inoculants sont utilises [13]. Le plus employ est le FeSi teneur dtermine en

aluminium et calcium. Il prsente une bonne application, techniquement soutenu, au-del du

profil conomique mais aussi des ncessits de mise au point de lanalyse du mtal final.

Dans la fabrication des tuyaux en fonte ductile, les coquilles peuvent tre utilises

avec leur surface intrieure nue (procd de Lavaud) ou revtue dune fine couche de silice

(procd Wet Spray), ou encore revtue dune paisse couche de sable (procd en

moule de sable).

Dans le procd de Lavaud, le mtal liquide est vers dans la coquille en acier nu et

subit ainsi un refroidissement trs rapide du fait du contact intime avec la coquille refroidie

leau ; la vitesse de refroidissement et la faible paisseur des parois ont pour rsultat des

tuyaux contenant beaucoup de cmentite (dure et cassante), et ayant une structure perlitique

avec des modules de graphite. Un recuit est ncessaire pour liminer la cmentite et

dcomposer la perlite en graphite et en ferrite, de faon obtenir des tuyaux avec les

proprits mcaniques voulues. Dans le procd Wet Spray, la surface de la coquille est recouverte (avant de

dverser le mtal) dune fine couche de poudre de silice, d'une paisseur de 0.3 0.6 mm

[14], qui agit comme un matriau thermiquement isolant. Elle augmente ainsi la rsistance

thermique linterface mtal/coquille. En consquence, la vitesse de refroidissement de la

paroi du tuyau est infrieure celle du procd de Lavaud. La cmentite peut pratiquement

tre limine de la structure brute de coule par une combinaison dune plus faible vitesse

de refroidissement et dune composition de mtal adquate. Le traitement de recuit na plus

qu dcomposer la perlite. Il est effectu temprature plus faible, ce qui vite une

dformation due au poids de la coquille.

La technique "de Lavaud" est utilise pour les petites coquilles (longueur 6 m,

diamtre infrieur 700 mm). La technique du "Wetspay" est rserve aux grosses coquilles

(longueur 7 ou 8 m, diamtre suprieur 600 mm), puisque les traitements haute

temprature conduiraient un aplatissement.

Lorsque la solidification a lieu, le carbone prcipite sous forme de graphite, ce qui

provoque un certain gonflement. Le refroidissement qui suit a pour effet un retrait thermique

du tuyau solide, qui se dcolle de la coquille et peut alors tre extrait. Les caractristiques de

retrait de la fonte GS dpendent de plusieurs paramtres qui doivent tre contrls pour

27


obtenir une production uniforme ; ce sont la temprature de coule, la composition du mtal,

la fiabilit des procdures de traitement au Mg et dinoculation. Le procd de recuit ultrieur

du tuyau affecte galement les dimensions des produits finis.

1.1.2.1. Inspection et essais sur les tuyaux

Plusieurs types dinspection et dessais sont excuts systmatiquement sur les

tuyaux pour garantir leur qualit :

- linspection de la structure du mtal: un petit anneau est coup au bout uni du

tuyau et est ensuite soumis un essai de compression. Sa flche la rupture et/ou

sa courbure maximale est directement lie lallongement du mtal et peut donc

mettre en vidence un excs de perlite et de cmentite. Lessai sur anneau est

ralis sur chantillons prlevs de manire alatoire. Une autre mthode consiste

vrifier la forme du graphite par contrle aux ultrasons et la structure de la

matrice par courants de Foucault.

- inspection visuelle: tous les tuyaux sont soumis un contrle visuel afin de

dtecter les dfauts de coule ventuels. Ceux qui prsentent des dfauts

inacceptables sont mis au rebut. La partie extrieure du bout uni et le profil

intrieur de lemboture sont contrls minutieusement en raison de leur influence

sur ltanchit du joint. Le profil du logement de la bague de joint est meul si

ncessaire afin dobtenir une surface lisse et rgulire.

- contrle dimensionnel : plusieurs diamtres sont vrifis sur chaque tuyau (bout

uni, emboture et logement de la bague de joint). Les tuyaux prsentant une trop

grande ovalisation sont mis au rond mcaniquement. Lpaisseur de paroi est

galement contrle rgulirement.

- essai hydrostatique: pour dtecter les fuites, chaque tuyau est soumis un essai

hydrostatique une pression suprieure sa pression maximale de service. Les

tuyaux gaz sont tests lair sous leau.

1.1.3. Position du problme industriel, choix des matriaux Les coquilles de centrifugation prsentent trois types d'endommagement: l'ovalisation,

le faenage et la fissuration.

28

Introduction

1.1.3.1. L'ovalisation La coquille subit une dformation permanente suivant une gnratrice due au

chargement thermique non uniforme, auquel sajoute son propre poids et celui du tuyau et le

frottement sur la surface interne pendant lextraction du tuyau. Cet inconvnient associ avec

lusure intrieure fait que le diamtre du tuyau ne rentre plus dans les tolrances. Ce mode

de dgradation ne concerne qu'une faible proportion de coquilles, environ 7% de celle mises

hors service en 1977 [10]. Actuellement, ce chiffre a considrablement diminu, depuis que

le tuyau est extrait alors que la coquille est encore en rotation [10].

1.1.3.2. Le faenage Lendommagement le plus frquent des outils qui subissent des cycles thermiques est

lapparition dun rseau bidimensionnel de fissures sanctionnant leur utilisation (Figure 1.9).

Les fissures de fatigue samorcent souvent la surface des coquilles pour les raisons

suivantes :

dans les composants mcaniques, les contraintes superficielles sont plus

importantes qu cur. Cela est d la concentration de contrainte et au mode

de sollicitation comme la flexion ou la torsion et les chocs thermiques;

les grains en surface sont en contact direct avec lenvironnement, souvent

dfavorable la rsistance des matriaux ;

la surface dun composant, il existe souvent des rayures ou des stries

dusinage qui rduisent la rsistance la fatigue.

Figure 1.8. Lempreinte d rseau bidimensionnel de fissures observable sur la surface

externe dun tuyau

29


Une amlioration des performances, grce des traitements de surface adquats,

peut augmenter considrablement la dure de vie dun composant mcanique.

Ce type de dgradation concerne la majorit des coquilles. Pendant le chargement

thermique, la surface interne de la coquille subit une dformation plastique localement

concentre. En dbut de cycle lintrieur chaud entre en compression et lextrieur froid en

traction. Lintrieur finit par se plastifier en compression, si bien que lors de luniformisation

des tempratures en fin de cycle, lintrieur se retrouve en traction, ce qui permet la

propagation des fissures. Le cycle de chargement est schmatis par la Figure 1.9.

Refroidissement

Chauffage

Figure 1.9. Le cycle thermique schmatis sur la surface interne de la coquille [10] Un criquage thermique apparat en premier sous la forme d'un rseau de fissures,

appel faenage. Cette appellation a t utilise par analogie avec ce qui se produit sur les

pices cramiques lorsquelles subissent un traitement de faenage. Il se forme presque

immdiatement aprs coule d'une dizaine de tuyaux environ. La densit des fissures est

plus importante aux bouts de la coquille quau milieu. Certaines de ces fissures peuvent se

propager plus rapidement et elles deviennent plus visibles car elles sont plus ouvertes. Ce

rseau est utilis aussi pour une meilleure adhsion du dpt de Wetspray, mais peut gner

lextraction des pices. Cest dailleurs une perte de productivit trop importante.

1.1.3.3. La fissuration Pendant leur utilisation certaines coquilles ne prsentent pas lendommagement dcrit

au point 1.1.3.2, celui du faenage. Mais subitement des fissures profondes et longues

apparaissent ce qui fait que les coquilles de centrifugation sont dtriores, si bien quelles

doivent tre rebutes. La cause principale de la mise au rebut est lapparition et la

propagation de criques lintrieur de la coquille, soit longitudinales, soit radiales, plus

30

Introduction

particulirement des deux cts extrmes (Figure 1.5), lendroit o l'paisseur du moule est

maximale. Les criques, si elles deviennent trop profondes rendent lextraction du tuyau

difficile et donc diminuent la productivit.

De faon gnrale, il semble que, lorsqu'une coquille prsente un faenage thermique

rgulier, elle prit rarement par fissuration isole et sa dure de vie augmente par rapport

une coquille qui prsente peu de faenage thermique [15].

1.1.4. L'enjeu industriel La dure de vie des coquilles est fortement lie au diamtre de celle-ci. Elle diminue

avec le diamtre du tuyau fabriqu, alors que le cot de fabrication une volution inverse.

Une amlioration sensible de la dure de vie des coquilles interviendrait donc de faon non

ngligeable sur le prix de revient des tuyaux en fonte. De nombreuses tudes ont t

ralises depuis plusieurs annes. Une synthse des travaux est prsent dans ce qui suit.

Actuellement, le cahier des charges impose trois grandeurs [10]:

- Limite lastique Re > 600 MPa lambiante

- Lnergie rupture K = 7 daJ/cm2 0C

- Temprature de transition ductile-fragile infrieure 20C

Les deux dernires conditions tendent viter tout risque de rupture froid dans le

parc de l'entreprise. Aprs une campagne de production, les coquilles sont entreposes sur

site extrieur. En hiver, il est arriv que certaines coquilles rompent brutalement en deux,

sous la simple action du froid. Aprs la mise en application de ces conditions, la frquence

d'apparition de ce mode de rupture fragile a disparu. Le cahier des charges n'indique aucune

condition sur les caractristiques mcaniques chaud, domaine dans lequel sont pourtant

sollicites les coquilles.

Les critres de mise hors service sont actuellement trs subjectifs. Pour les coquilles

de diamtre suprieur 400 mm, il y a officiellement deux causes de mise hors service:

- 1-er critre est l'apparition d'une ou plusieurs fissures localises, non rparables et

prenant une dimension inadmissible;

- 2-me critre est le ft qui apparat globalement trop endommag. Ce deuxime

critre intervient en fait aprs apparition de difficults d'extraction des tuyaux en production.

Du moment o les coquilles sont mises hors service, elles ne sont pas jetes

immdiatement. Elles subissent des rparations. Celles-ci consistent en un dcricage au tour

sur les deux extrmits de la coquille (bout uni et embotement, Figure 1.5), puis en un

31


rechargement par des passes de soudure (Figure 1.10). Cette opration ne peut avoir lieu au

milieu de la coquille, car le tour ne peut tre muni dun bras assez long (limit 1.50 m).

Lentretien des coquilles consiste les meuler, les nettoyer et les mater intrieurement [10].

Figure 1.10. Le bout uni d'une coquille aprs le dcricage [10]

1.1.4.1. Synthse des travaux ralises au CRD de Saint Gobain PAM Analyses de coquilles mises hors service Les rsultats obtenus lors des diffrentes expertises de coquilles mises hors service

se regroupent en deux points:

a) Mode de fissuration;

b) Evolution mtallurgique.

Mode de fissuration

Aprs coule de 1000 pices, la face interne d'une coquille de gros diamtre prsente

un double rseau de fissures [10]. Le premier rseau appel faenage se prsente sous la

forme d'un quadrillage quasi rgulier orient dans les sens longitudinal et radial. La taille de

maille de ce rseau est de 50 mm environ (Figure 1.8).

32

Introduction

10 mm

Figure 1.11. Rseau de faenage sous la couche d'oxyde sur une coquille [10]

Un deuxime rseau apparat, une fois la couche d'oxyde enleve par une attaque

chimique approprie (Figure 1.11). Il est galement arrang selon un quadrillage rgulier,

mais est caractris par une maille beaucoup plus petite: 5 10 mm.

Figure 1.12. Histogramme des profondeurs de fissures (d = 4.19 mm) [10]

33


Figure 1.13. Rseau de faenage fin [10]

Un histogramme des profondeurs de fissures tablie par expertise d'une coquille DN

1400 [10] montre que le rseau de grandes fissures est caractris par une profondeur

moyenne de 17 mm alors que le rseau fin est caractris par une profondeur de 2 mm

(Figure 1.12). L'aspect en coupe d'une fissure longue est indiqu dans la Figure 1.14.

2 mm 2 mm

Figure 1.14. Aspect dune fissure du rseau principal vu en coupe [10]

34

Introduction

Des observations micrographiques ralises sur des coupes perpendiculaires au plan

de la fissure ont mis en vidence que les fissures courtes sont de type intergranulaire, alors

que les plus longues sont de type transgranulaire (Figure 1.15) [10, 16].

50 m

Figure 1.15. Fissure transgranulaire [10]

Les fissures prsentent de nombreuses ramifications, ce qui indiquerait que la propagation

s'effectue en milieu oxydant. Cette hypothse a t confirme par des analyses qualitatives

effectues sur le contenu des fissures en coupe la microsonde [10, 16]. Les rsultats ont

rvl la prsence d'oxyde de fer dans les fissures, ainsi que celle de silicium (provenant du

Wetspray) et de carbone. La couche d'oxyde forme tout le long de la fissure est

accompagne d'une zone enrichie en chrome l'interface matrice - oxyde. La formation

d'oxyde est acclre par le dpt de Wetspray. En effet, le Wetspray est pulvris sous

forme de solution aqueuse sur la face interne de la coquille porte une temprature

suprieure 200C. Il y a formation instantane de vapeur d'eau, donc d'un milieu fortement

oxydant.

Evolution mtallurgique

Le cyclage thermique auquel sont soumises les coquilles provoque des changements

microstructuraux. Ceux-ci sont plus marqus au niveau de lembotement (Figure 1.5) qu

lautre extrmit de la coquille. Ils se caractrisent par une modification de la bainite

entranant la formation de grains ferritiques trs fins et une coalescence des carbures. La

zone perturbe dtend sur environ 2-3 mm sous la peau interne.

35


Des filiations de duret ont t ralises dans lpaisseur de certaines coquilles [10,

16]. Elles montrent lexistence dune zone adoucie stendant sur 10 mm partir de la paroi

chaude. Cette baisse de la duret (40 50 points Vickers) est relier avec le phnomne

dadoucissement cyclique intervenant dans la zone de plasticit cyclique.

Des analyses chimiques ralises sur des copeaux prlevs la fraise par passes

successives ont montr un net enrichissement en carbone sur environ 0.2 mm [10, 16]. Cette

tendance a t galement observe par analyse la microsonde sans toute fois pouvoir la

quantifier plus prcisment. Il est probable que ce phnomne soit tout simplement d un

dpt de fonte dans les fissures, le carbone ntant pas soluble dans une phase bainitique.

Caractrisation mcanique des matriaux de coquille La composition chimique des aciers coquille n'est pas fixe. Il s'agit en gnral des

aciers au chrome-molybdne. Les principales nuances ayant donne lieu des tudes de

caractrisation mcanique sont de type 30CD4, 20CD10-0.5, 18CDV4 et Z20C13,

Z03CND17-12. Les courbes de traction monotones et les courbes d'crouissage cyclique ont

t tablies pour seulement certaines d'entre elles et uniquement dans une plage de

tempratures 560-650C. Les courbes de Manson-Coffin ont t dtermines pour tous les

acier 560C et 650C [17]. La nuance 20CD10 a donne les meilleurs rsultats en dure de

vie [18].

Simulations numriques Au CRD de Saint Gobain PAM, les programmes de calcul dvelopps utilisent tous la

mthode des diffrences finies diffrence et les parties thermique et mcanique sont

dcouples. Le calcul thermique modlise tous les changes thermiques intervenant lors

d'un cycle de fabrication, la coule de la fonte, son refroidissement accompagn d'une phase

de solidification et le refroidissement par pulvrisation d'eau de la paroi externe du moule. Ce

code a t test et les donnes thermiques semblent maintenant dfinitivement acquises

[19].

Les hypothses utilises dans la dtermination des champs de contrainte et

dformation sont [19]:

Le chargement est d'origine purement thermique;

La force centrifuge est ngligeable;

36

Introduction

Le dplacement est uniforme, sur une section du moule, ce qui traduit

l'hypothse d'un tube infini;

Le critre de plasticit est le critre de Von-Mises;

Le module d'Young varie avec la temprature.

Dans les calculs, la loi de comportement introduite est une modlisation par un

crouissage linaire des courbes de tractions monotones dtermines diffrentes

tempratures. Cette donne peut gnrer des discussions car lacier de la coquille prsente

un adoucissement cyclique. La thse de H. Burlet [20] a montr lexistence dune zone

adoucie, lie au comportement cyclique du matriau. Cela signifie que lutilisation des

courbes monotones dans le calcul nest pas correcte, sachant que la coquille contient des

zones de plasticit cyclique. Cet inconvnient du calcul a t remdi avec ltude ralise

par A Vasseur et al. [15, 20] et les rsultats sont prsents dans [15, 21] :

- La dure de vie des coquilles est calcule partir des champs de contrainte et

dformation et grce un critre de type Manson-Coffin (1.1) :

Nf = x1(t)x2 (1.1)

- Dans cette relation t reprsente la variation de dformation totale subie au cours

dun cycle par un point de la peau interne et x1 et x2 sont des constantes caractristiques du

matriau. Cette approche permet de calculer un nombre de cycles lamorage, mais ne

donne aucune indication sur la propagation des fissures et ne semble pas appropri une

utilisation pour des coquilles avec WetSpay ou rechargs.

Les tudes sur les coules exprimentales Des tudes de coule centrifuge sur des coquilles exprimentales (avec une

gomtrie prsente dans lAnnexe 1. ) ont t ralises au CRD de Saint-Gobain

Canalisation. Le dispositif exprimental (Figure 1.16) permet de fabriquer des viroles de

diamtres compris entre 150 et 300 mm et comprend les parties suivantes: la partie de mise

en rotation de la coquille, une partie refroidissement et une partie de mesure de temprature

[22].

37


Figure 1.16. Linstallation de coule centrifuge exprimentale schmatise [10].

Le dispositif de rotation de la coquille est ralis par un moteur lectrique pilot

laide dun variateur lectronique. Le refroidissement est assur par une srie de buses de

dbit global 1.6 m3/h pour refroidir 0.137 m2, soit un dbit surfacique de 11.7 m/h. Le cycle de

refroidissement est fix 60 secondes aprs la premire goutte de fonte. La partie mesure

de temprature contient deux systmes prsents sur la machine. Le premier est un

pyromtre destin mesurer la temprature de la surface interne de tuyau. Celui-ci donne

instantanment la temprature et ses donnes sont enregistres par ordinateur pour tre

traites ultrieurement. Le second systme est constitu de quatre thermocouples de type K.

Ils sont implants dans des trous raliss dans la coquille depuis l'extrieur. Les

thermocouples sont relis une centrale dacquisition embarque de type SOMAT 2000

avec une mmoire de 2 Mb qui enregistre toutes les donnes pendant la manipulation avec

une frquence dacquisition de 10 Hz. Ces donnes sont transfres et lues une fois la

machine arrte.

Pour ces coquilles, la fonte vient de lusine voisine et refondue dans un four lectrique.

Le traitement magnsium est ralis dans des poches de 30 kg la sortie du four. Une

analyse de la fonte est ralise systmatiquement. Aprs ce traitement, la coule de la fonte

dans la coquille est ralise laide dune cuillre.

Premirement il faut mentionner ltude de P. Deregnaucourt et al. [23] sur ltalement

de la fonte dans la coquille exprimentale DN 300 en fonction des paramtres suivants :

rpartition de la fonte dans la cuillre ;

38

Introduction

inclinaison de la machine ;

vitesse de rotation de la coquille ;

temprature de la coquille ;

temprature de la fonte au moment de la coule

masse de la fonte verse ;

vitesse de versement de la fonte.

Cette tude exprimentale a eu comme but la matrise des paisseurs des tuyaux. Les

paramtres thermiques, comme les tempratures de la fonte et de la coquille et aussi le dbit

de fonte jouent sur la vitesse de solidification. Plus la solidification est lente, plus la fonte

stale, mais ces paramtres naffectent pas la rgularit du tuyau. Linclinaison de la coquille

favorise lcoulement de la fonte vers la partie basse et gnre ainsi un profil dpaisseur

rgulirement croissant. Cet effet est compens par une augmentation de la vitesse de

rotation (au moins 50 g) de la coquille qui contribue la rduction de lexcentration du tuyau.

Le niveau de trempe des tuyaux en fonction de la variation des taux des inoculants,

t tudi par T. Capla [22] utilisant le mme systme exprimental. Le coefficient de trempe

(qui reprsente 2 fois le pourcentage de cmentite) est associ aux modlisations des

rgimes thermiques coquille et tuyau et des variations dilatomtriques de la coquille. Sa

conclusion est la suivante: la temprature linterface coquille/tuyau, cot coquille, est plus

faible lorsque le coefficient de trempe est suprieur 80%. Cela deux rpercussions :

la coquille est moins sollicite en fatigue thermique et

la dformation de la coquille est moins importante donc le jeu coquille / tuyau est

toujours plus grand. Et par consquent lextraction du tuyau est plus facile.

Pour dmontrer cette deuxime rpercussion, des essais de dilatomtrie ont t

raliss sur les chemises obtenues aprs la coule. Les coefficients de dilatation obtenus

sont introduits dans un calcul ralis par lments finis. Le rsultat obtenu est en

concordance avec cette affirmation.

Cette approche est simple, facile utiliser et assure une bonne reproductibilit. Le

seul amendement cette technique est le manque de similitude entre les mcanismes qui

interviennent pendant la solidification avec ceux qui interviennent pendant les essais de

dilatomtrie. Une mesure directe de la dilatation des chemises pendant la solidification serait

plus indique utilisant une procdure comme celle propose par F. Decultieux [24].

Pour raliser la simulation numrique des rgimes thermiques coquille/tuyau une

estimation du coefficient dchange entre la coquille et le tuyau a t effectue. Son volution

39


(Figure 1.17) a t dtermine afin dobtenir la mme variation de temprature que celle

enregistre par les thermocouples implants dans la coquille. Une faible trempe est corrle

la pente de lvolution du coefficient dchange avec la temprature.

4500

4000

3500 3000

2500

2000

1500 1000 600

500

[W/m

/K]

=1.16 kW/m/K

Figure 1.17. Evolution du coefficient dchange tuyau coquille pour deux coefficients de

trempe [22]

1.2. Les procds utiliss pour obtenir des recharges Un enjeu important dans le fonctionnement des revtements est donn par les

mthodes de dpt. La recherche de proprits de surface spcifiques sur les pices en

service, dont les conditions d'emploi sont de plus en plus svres, a pouss au

dveloppement de nouveaux procds (plasma, canon dtonation, HVOF High Velocity

Oxygene Fuel...) et de nouveaux matriaux associs (cramiques, carbures, composites,

superalliages...). Nous hirarchisons les procds existants, ensuite chaque classe sera

dveloppe en marquant leurs caractristiques.

En fonction du type de dpt, les revtements se divisent en deux classes : - dpt par la voie humide (dpts lectrolytiques, chimiques, par immersion en

mtal fondu ; peintures industrielles) (1.2.1) ;

- dposs par voie sche (1.2.2) :

a) projection thermique (flamme et plasma),

b) rechargement par soudure (flamme, arc transfert, tincelage,

bombardement lectronique),

40

Introduction

1.2.2.3) dpts chimiques en phase vapeur CVD (pyrolyse,

rduction dhalognures),

1.2.2.4) dpts physiques en phase vapeur PVD (vaporation,

dpt ionique, pulvrisation cathodique)().

e) plaquage.

1.2.1. Le dpt par voie humide Parmi les techniques de dposition par voie humide il faut mentionner les suivantes :

Immersion en bain de sels fondus [25] : Par leur haute ractivit, les bains

de sels fondus contenant des chlorures avec des lments mtalliques dapport tels que Cr,

V sont susceptibles de produire des ractions superficielles de type dissociation et change

des tempratures voisines de 1 000 oC. Ces ractions se traduisent par un apport et une

diffusion des lments mtalliques du bain dans le substrat. La rtrodiffusion du carbone du

substrat vers la surface se traduit par la cration dun dpt de carbures dont lpaisseur

nexcde pas 15 m en raison du ralentissement de la diffusion du carbone travers la

couche en train de se former. Les revtements raliss sur aciers outils par cette technique

sont essentiellement le carbure de chrome Cr7C3 et le carbure de vanadium VC. Ils ont une

excellente adhrence sur les substrats et peuvent tre utiliss avec succs lorsque les

outillages sont soumis des sollicitations de fatigue mcanique [26] et thermique.

Le carbure de vanadium, dont les proprits tribologiques sont intressantes, savre

particulirement efficace dans les oprations de mise en forme froid, avec ou sans

lubrifiant [27]. Les paisseurs de revtements le plus souvent rencontres sont de lordre de

5 m et le traitement thermique est ralis immdiatement aprs le revtement par des

maintiens successifs en bain de sels.

Procds de galvanoplastie [25] : En galvanoplastie, le substrat joue le rle

d'anode et les ions mtalliques issus dun bain lectrolytique sont rduits puis dposs sur

les zones libres (au travers des ouvertures d'une laque photosensible) de la sous-couche

d'accrochage. L'avantage essentiel est la rapidit de dpt (> 1 m min1), mais une

contrainte est la ncessit de disposer d'une sous-couche conductrice, ou germe , qu'il

faut ensuite liminer des zones d'isolation. Cela augmente le nombre d'tapes de dposition.

Le procd est dynamique et doit tre surveill pour une bonne reproductibilit. En

particulier, l'appauvrissement du bain tout comme les conditions d'agitation modifient les

conditions de dpt. La prsence d'impurets dans le bain peut conduire des problmes de

pollution, d'adhrence, de contraintes rsiduelles et de fissurations. De mme, une bonne

41


homognit des motifs dposer est conseille car des variations dimensionnelles

conduisent des densits de courant diffrentes, donc des paisseurs dposes

diffrentes d'un motif un autre, les lignes les plus fines recevant les paisseurs les plus

fortes. Chrome, cuivre, or et nickel peuvent tre dposs de cette manire. Les revtements

galvaniques effectus sur aciers outils en vue dapplications mcaniques tournent autour

du chromage dur, ralis dans des bains dacide chromique et dacide sulfurique des

tempratures voisines de 50 C, avec des densits de courant minimales de 0,4 A/cm2 et des

tensions comprises entre 5 et 7 V [28, 29].

Effectu sur des matriaux qui ont des caractristiques mcaniques leves, le

chromage dur entrane un chargement en hydrogne du substrat qui peut avoir des

consquences fcheuses au niveau des risques de fragilisation.

La duret des dpts est comprise entre 800 et 1100 HV, et les paisseurs vises les plus

courantes sont comprises entre 10 et 60 m. Il est absolument ncessaire de faire suivre le

chromage par un traitement de dgazage une temprature comprise entre 150 et 200C

favorisant aussi le dtensionnement des contraintes dusinage ou de rectification.

Les applications du chrome dur sont nombreuses dans le domaine des outils de mise

en forme devant rsister au frottement et lusure, ventuellement en milieu agressif [30]. De

nombreux outils dtirage et demboutissage, ainsi que des outils de contrle, sont galement

chroms. Dans le cas de la mise en forme chaud, de plus en plus doutillages sont revtus

dune pellicule de chrome pour amliorer leurs proprits tribologiques. Le revtement de

chrome est utilise galement comme barrire thermique au substrat, protection de ce

dernier contre loxydation [31] et prsente une conductivit thermique et un coefficient de

dilatation voisins de ceux de lacier.

La ralisation dun matriau gradient de proprits mcaniques par superposition

dun dpt de chrome et dune couche nitrure prsente lintrt de mettre en compression le

substrat, ce qui a pour effet de rduire le niveau des contraintes en fond des fissures

amorces par fatigue thermique. Ce procd de chromage de couches nitrures atteint ses

limites pour des tempratures de surface suprieures ou gales 600 oC. La prsence dune

lubrification favorise le choc thermique et la propagation des fissures[32].

Signalons galement que le revtement lectrolytique de chrome se rencontre dans

de nombreux outillages utiliss en plasturgie, notamment les moules et vis dextrusion, pour

viter le collage de la matire travaille. Dans ce cas, limplantation ionique dazote, qui

entrane la formation de nitrures de chrome trs durs avec des contraintes de compression

42

Introduction

qui retardent louverture des fissures du dpt de chrome, amliore substantiellement la

tenue de ce revtement.

Rduction chimique autocatalytique [25] Les dpts chimiques en vue dapplications mcaniques sont obtenus par rduction

de sels de nickel au moyen dhypophosphites ou de boranes. Les revtements de nickel

chimique ainsi obtenus ont des paisseurs uniformes, mme sur des pices de gomtrie

complexe dans la mesure o il ny a pas effet de champ (concentration de lignes de courant

sur les parties aigus dans le cas des dpts galvaniques). Deux types de revtements

peuvent tre obtenus :

le nickel-phosphore qui contient environ 7 % P dont la duret initiale de 600 HV 0,1 peut tre augmente jusqu 900 HV 0,1 par traitement

400 oC pour les applications dominante frottement-usure et 600 HV

0,1 environ par traitement 650 oC avec recristallisation du dpt pour

les applications dominante corrosion. Les vitesses de dpts sont de

lordre de 20 m/h et les paisseurs vises sont gnralement comprises

entre 20 et 80 m [33-36];

le nickel-bore qui contient environ 6 % B dont la duret peut atteindre 2 000 HV 0,1 par traitement 300 oC et qui, ltat brut de dpt, a dj

une duret voisine de 700 HV 0,1. Des paisseurs de 20 m sont

suffisantes pour assurer une bonne protection contre la corrosion. Ce

revtement est intressant pour amliorer la rsistance loxydation des

matriaux jusqu des tempratures de 350 oC[37].

Les revtements de nickel-phosphore ou de nickel-bore obtenus par rduction

chimique autocatalytique ont une structure amorphe ltat brut de dpt et prsentent, en

plus de leurs bonnes proprits tribologiques, une bonne tenue la corrosion dans les

acides minraux non oxydants en solution dilue, dans les solutions de sels minraux non

oxydants et dans les acides organiques (notamment les acides gras). Des paisseurs dune

vingtaine de micromtres peuvent tre ralises sur des outils de mise en forme froid

susceptibles dtre sollicits par fatigue-corrosion. Toutefois, les conditions de service et

notamment la frquence des cycles des contraintes et la temprature maximale atteinte

influent sur la dure de vie des structures. En effet, la tenue la corrosion du revtement

dcrot, en liaison avec le nombre de cycles et la recristallisation locale. Il en rsulte un

amorage de piqres ou de fissures dans les zones de dsamorphisation avec concentration

43


de contraintes en fond de dfaut et propagation des fissures par phnomne de fatigue-

corrosion.

Il est possible de rduire fortement le niveau du coefficient de frottement des dpts

chimiques de nickel par occlusion de particules de PTFE (polyttrafluorothylne) dont la

proportion peut atteindre 25 % en volume avec des diamtres de particules compris entre 1

et 6 m. Cette occlusion de particules de PTFE naffecte pas la tenue la corrosion du

dpt, mais entrane une rduction du niveau de duret superficielle (maximum 400 HV).

Cette solution sera recherche lorsque lon veut obtenir une rduction sensible de la

tendance au grippage dans une opration de mise en forme en milieu corrosif.

1.2.2. La dposition par la voie sche

1.2.2.1. Projection Thermique Regroupe l'ensemble des procds grce auxquels un matriau d'apport est fondu ou

port l'tat plastique grce une source de chaleur, puis est projet sur la surface revtir

sur laquelle il se solidifie. Ces techniques permettent de confrer chaque zone la proprit

de surface ncessaire son fonctionnement, tout en autorisant des choix de matriaux de

base compatibles avec les proprits cur recherches.

Le principe gnral: la matire dposer, sous forme de poudre, de fil, de cordon ou

de baguette est fondue totalement ou partiellement dans une source de chaleur (flamme, arc

lectrique, plasma). Un gaz vecteur permet la pulvrisation de la matire, et le transport des

gouttelettes ainsi formes jusqu' la surface revtir.

Les techniques de dposition par projection thermique sont rsumes dans le Tableau

1.2. Chaque technique est explique plus en dtail dans lannexe 2.

Les principales caractristiques sont :

- La surface de base ne subit aucune fusion.

- L'adhrence du dpt est dorigine mcanique.

- Les dpts sont gnralement stratifis, s'ils ne sont pas traits a posteriori. Ils

sont poreux, la porosit provenant soit de microcavits dues un empilage imparfait des

gouttelettes, soit de gaz enferms pendant la solidification. Le taux de porosit varie de

moins de 1 % 25 % suivant les procds et les matriaux utiliss. Les dpts comportent

des inclusions telles que des oxydes ou encore d'autres matriaux provenant des

chalumeaux eux-mmes, des particules infondues ou partiellement fondues n'ayant pas subi

un cycle thermique complet (en raison de leur taille ou de leur cheminement dans la source

de chaleur).

44

Introduction

En raison de la trs grande vitesse de refroidissement des particules au contact du

substrat, leur structure mtallurgique est du type trempe, gnralement phase unique.

Ceci permet d'expliquer que la structure d'origine du matriau peut se trouver modifie aprs

dpt. titre d'exemple, on peut citer le cas de l'alumine, projete sous forme alpha et qui se

retrouve sous forme gamma dans le dpt. Une autre consquence de ces cycles

thermiques svres est la prsence possible de microfissures intragranulaires l'intrieur

des dpts. Enfin, lors des projections ralises dans l'air, les particules et le substrat sont

soumis au phnomne d'oxydation.

Tableau 1.2. Les techniques de dposition par projection thermique

CaractristiquesProjection

flamme-poudre [38]

Projection flamme-fil

[38]

Arc lectrique

[38]

Plasma [7, 38-44] HVOF [38]

Canon dtonation

[38, 45]

Source de chaleur flamme oxy

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