Contribution أ  l'optimisation des revأھtements des moules ... Thermal barrier, mechanical screening,

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  • DOCTORAT DE l'I.N.P.T.

    Spécialité: Matériaux - Structure - Mécanique

    DIACONU Gabriel Laboratoire: Centre de recherche Outillages Matériaux et Procédés (CROMeP) Titre de la thèse: Contribution à l’optimisation des revêtements des moules de fonderie – application aux outillages de coulée centrifuge

    Soutenue le:

    8 Décembre 2004

    Directeur de thèse: 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 :

    L’objet de ce travail est d’améliorer la durée de vie des coquilles de centrifugation des tuyaux en fonte. Leur paroi interne est soumise à des flux thermiques intenses (de l’ordre de quelques MW/m²) durant plusieurs secondes. L’utilisation d’un dépôt céramique et / ou métallique est envisagée pour assurer la protection de cette surface. Afin d’évaluer l’intérêt des revêtements, notamment les dépôts obtenus par projection thermique et par soudure, nous développons une méthode d’évaluation de flux thermique par méthode inverse à partir des enregistrements de températures des coulées expérimentaux. Nous analysons le comportement thermo-élastique de bi-matériaux en fonctions des paramètres comme : le rapport des conductivités thermiques des deux matériaux, le rapport des coefficients de dilatation thermique, le rapport de module de Young, la résistance thermique de contact et l’épaisseur de revêtements. Nous avons essayé d’optimiser le revêtement pour deux effets recherchés : l’écran thermique pour protéger le substrat et l’écran thermo-mécanique pour assurer l’intégrité de l’assemblage. Nous tirons de la littérature, mesurons ou estimons les données nécessaires au calcul du champ de température et de contrainte dans un tel essai, à savoir, pour l’acier 20CD10, CuCrZr, Silk 414, Silk 34, Silk 113, ZrO2, NiCrAlY, WCCo, NB, la conductivité thermique, la chaleur massique, la diffusivité thermique, le coefficient de dilatation thermique, le module d’Young et la limite d’élasticité. Nos démarches nous ont permis de tracer des chartes pour faciliter le choix des revêtements pour un substrat donné.

  • A mon épouse Florentina,

    A ma Mère, mon Père et mon Frère

  • Remerciements

    5

    Aucun travail n’est possible dans l’isolement. Les rencontres, les conseils et les

    encouragements constituent des aides précieuses souvent décisives. C’est pourquoi je tiens

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

    sans mesurer la porté de leur influence.

    Je souhaite tout d’abord remercier Monsieur le Professeur Farhad REZAI-ARIA, de

    m’avoir accueilli parmi ses élèves, et d’avoir ainsi bien voulu partager avec moi sa passion

    pour la recherche. La rigueur du raisonnement, le refus de toute idée préconçue, la remise

    en question perpétuelle même de ce qui semble établi, demeure à mes yeux les points forts

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

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

    recherche de la DGA situé à 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, Université 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 à remercier Monsieur le Professeur Eric ANDRIEU, Responsable de l’axe de

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

    responsabilités a bien voulu s’intéresser à mon travail et présider ce jury.

    Je suis extrêmement reconnaissant à Monsieur Gilles DOUR, Maître Assistant

    CROMEP, Ecole des Mines d’Albi - Carmaux, d’avoir bien voulu partager avec moi ses

    réflexions sur le comportement des matériaux, en particulier en ce qui concerne la fonderie.

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

    disponibilité, et sa participation à ce jury.

    Je suis extrêmement reconnaissant à Monsieur Denis Girardin, Docteur Ingénieur

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

    participation à ce jury.

  • Contribution à l’optimisation des revêtements des moules de fonderie

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

    discret d’une famille est essentiel. Je remercie pour cela mon épouse Florentina, mes

    parents et mon frère Daniel.

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

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

    encouragements.

    Pour leur aide, pour les discussions que j’ai pu avoir avec eux, je remercie Christine

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

    que ceux que j’oublie ici me pardonnent.

  • Sommaire

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

    1. Introduction à l’étude............................................................................... 21

    1.1. L’implication industrielle de l’étude ...............................................................22

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

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

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

    1.1.1.3. Le système d’alimentation.................................................................25

    1.1.1.4. Le système d’extraction ....................................................................25

    1.1.2. Fabrication d’un tuyau .............................................................................26

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

    1.1.3. Position du problème industriel, choix des matériaux..............................28

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

    1.1.3.2. Le faïençage .....................................................................................29

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

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

    1.1.4.1. Synthèse des travaux réalises au CRD de Saint Gobain PAM .........32

    1.2. Les procédés utilisés pour obtenir des recharges.........................................40

    1.2.1. Le dépôt par voie humide ........................................................................41

    1.2.2. La déposition par la voie sèche ...............................................................44

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

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

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

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

    1.3. Techniques expérimentales et modèles appliquées aux revêtements..........53

    1.4. Méthode préconisée pour aborder cette étude .............................................62

    2. Mesures expérimentales......................................................................... 65

    2.1. Mesures de température...............................................................................66

    2.2. Techniques pour déterminer les propriétés physiques des rechargements

    massifs et des revêtements fins .........................................................................................81

    2.2.1. Techniques pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux

    solides 81

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  • Contribution à l’optimisation des revêtements des moules de fonderie

    2.2.1.1. Module d’élasticité [85-87].................................................................81

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

    2.2.1.3. Essai de dureté ...................................................