Additive manufacturing, new elaboration technique of metallic materials : impact of the microstructure on high temperature durability of AISI 316L steel

Les procédés de Fabrication Additive (FA) permettent de mettre en forme des pièces de géométrie très complexe, en une seule étape, au plus près de leurs côtes finales et cela directement à partir d'un modèle 3D CAO. Malgré un nombre très important d'études portant sur la FA, très peu de travaux font état de la tenue à haute température des matériaux issus de ces procédés. Ce travail de thèse s'est focalisé sur l'évaluation de l'impact du procédé Selective Laser Melting (SLM) sur la durabilité à haute température d'un des aciers commerciaux les plus utilisé dans l'industrie, l'acier inoxydable austénitique AISI 316L. La réactivité d'échantillons élaborés par SLM a été évaluée dans différentes conditions (atmosphère, température, exposition isotherme ou cyclique) et comparée à celle de l'acier 316L issu de la métallurgie conventionnelle, considéré comme référence.L'acier SLM présente une meilleure résistance envers l'oxydation à haute température (700-1000°C) sous air dans toutes les conditions expérimentales étudiées. Ce meilleur comportement a été relié à un taux de Cr disponible à proximité de la couche d'oxyde suffisamment élevé pour maintenir la formation d'une couche protectrice de Cr2O3, contrairement au matériau conventionnel. Différentes hypothèses ont été discutées afin d'expliquer la meilleure diffusion du Cr du volume vers la surface du matériau SLM. L'origine du meilleur comportement de l'acier SLM a été identifiée dans sa microstructure, typique des procédés de FA par fusion laser. En effet, l'acier SLM contient un grand nombre de dislocations et de sous-joints de grains favorisant la diffusion. La présence de nano-inclusions d'oxyde a également un impact positif sur le comportement de l'acier SLM pendant de longues durées de vieillissement à haute température.Additive Manufacturing (AM) processes are able to elaborate, in a single step, metallic parts with very complex geometry, as close as possible to their final dimensions, based on 3D CAD model. Despite a very large number of studies on AM parameters, very few studies report on the high temperature behavior of the metallic materials produced by these processes. This thesis work evaluates the impact of the Selective Laser Melting (SLM) process on the high temperature durability of the austenitic stainless steel AISI 316L, commercial grade widely used in the industry. For this purpose, the reactivity of SLM samples was studied in different conditions (atmosphere, temperature, isothermal or cycling) and compared to that of the wrought 316L, used as reference.SLM steel has better resistance to high temperature oxidation (700-1000°C), in all the considered experimental conditions. The better behavior was related to a higher Cr content available at the metal surface, high enough to maintain the formation of protective Cr2O3 layer, unlike the wrought material. Several hypotheses were discussed in order to explain the better diffusion of Cr from bulk to the surface of SLM material. The better behavior of SLM steel was explained through its microstructure, typical of laser melting AM processes. Indeed, it contains a high number of dislocations and sub-grain boundaries that favor the diffusion. The presence of oxide nano-inclusions also has positive impact on behavior of the SLM steel over long ageing periods at high temperature

Fabrication additive, nouvelle technique d'élaboration des alliages métalliques : impact de la microstructure sur la durabilité à haute température de l'acier AISI 316L

Additive Manufacturing (AM) processes are able to elaborate, in a single step, metallic parts with very complex geometry, as close as possible to their final dimensions, based on 3D CAD model. Despite a very large number of studies on AM parameters, very few studies report on the high temperature behavior of the metallic materials produced by these processes. This thesis work evaluates the impact of the Selective Laser Melting (SLM) process on the high temperature durability of the austenitic stainless steel AISI 316L, commercial grade widely used in the industry. For this purpose, the reactivity of SLM samples was studied in different conditions (atmosphere, temperature, isothermal or cycling) and compared to that of the wrought 316L, used as reference.SLM steel has better resistance to high temperature oxidation (700-1000°C), in all the considered experimental conditions. The better behavior was related to a higher Cr content available at the metal surface, high enough to maintain the formation of protective Cr2O3 layer, unlike the wrought material. Several hypotheses were discussed in order to explain the better diffusion of Cr from bulk to the surface of SLM material. The better behavior of SLM steel was explained through its microstructure, typical of laser melting AM processes. Indeed, it contains a high number of dislocations and sub-grain boundaries that favor the diffusion. The presence of oxide nano-inclusions also has positive impact on behavior of the SLM steel over long ageing periods at high temperature.Les procédés de Fabrication Additive (FA) permettent de mettre en forme des pièces de géométrie très complexe, en une seule étape, au plus près de leurs côtes finales et cela directement à partir d'un modèle 3D CAO. Malgré un nombre très important d'études portant sur la FA, très peu de travaux font état de la tenue à haute température des matériaux issus de ces procédés. Ce travail de thèse s'est focalisé sur l'évaluation de l'impact du procédé Selective Laser Melting (SLM) sur la durabilité à haute température d'un des aciers commerciaux les plus utilisé dans l'industrie, l'acier inoxydable austénitique AISI 316L. La réactivité d'échantillons élaborés par SLM a été évaluée dans différentes conditions (atmosphère, température, exposition isotherme ou cyclique) et comparée à celle de l'acier 316L issu de la métallurgie conventionnelle, considéré comme référence.L'acier SLM présente une meilleure résistance envers l'oxydation à haute température (700-1000°C) sous air dans toutes les conditions expérimentales étudiées. Ce meilleur comportement a été relié à un taux de Cr disponible à proximité de la couche d'oxyde suffisamment élevé pour maintenir la formation d'une couche protectrice de Cr2O3, contrairement au matériau conventionnel. Différentes hypothèses ont été discutées afin d'expliquer la meilleure diffusion du Cr du volume vers la surface du matériau SLM. L'origine du meilleur comportement de l'acier SLM a été identifiée dans sa microstructure, typique des procédés de FA par fusion laser. En effet, l'acier SLM contient un grand nombre de dislocations et de sous-joints de grains favorisant la diffusion. La présence de nano-inclusions d'oxyde a également un impact positif sur le comportement de l'acier SLM pendant de longues durées de vieillissement à haute température

Fabrication additive, nouvelle technique d'élaboration des alliages métalliques : impact de la microstructure sur la durabilité à haute température de l'acier AISI 316L

Additive Manufacturing (AM) processes are able to elaborate, in a single step, metallic parts with very complex geometry, as close as possible to their final dimensions, based on 3D CAD model. Despite a very large number of studies on AM parameters, very few studies report on the high temperature behavior of the metallic materials produced by these processes. This thesis work evaluates the impact of the Selective Laser Melting (SLM) process on the high temperature durability of the austenitic stainless steel AISI 316L, commercial grade widely used in the industry. For this purpose, the reactivity of SLM samples was studied in different conditions (atmosphere, temperature, isothermal or cycling) and compared to that of the wrought 316L, used as reference.SLM steel has better resistance to high temperature oxidation (700-1000°C), in all the considered experimental conditions. The better behavior was related to a higher Cr content available at the metal surface, high enough to maintain the formation of protective Cr2O3 layer, unlike the wrought material. Several hypotheses were discussed in order to explain the better diffusion of Cr from bulk to the surface of SLM material. The better behavior of SLM steel was explained through its microstructure, typical of laser melting AM processes. Indeed, it contains a high number of dislocations and sub-grain boundaries that favor the diffusion. The presence of oxide nano-inclusions also has positive impact on behavior of the SLM steel over long ageing periods at high temperature.Les procédés de Fabrication Additive (FA) permettent de mettre en forme des pièces de géométrie très complexe, en une seule étape, au plus près de leurs côtes finales et cela directement à partir d'un modèle 3D CAO. Malgré un nombre très important d'études portant sur la FA, très peu de travaux font état de la tenue à haute température des matériaux issus de ces procédés. Ce travail de thèse s'est focalisé sur l'évaluation de l'impact du procédé Selective Laser Melting (SLM) sur la durabilité à haute température d'un des aciers commerciaux les plus utilisé dans l'industrie, l'acier inoxydable austénitique AISI 316L. La réactivité d'échantillons élaborés par SLM a été évaluée dans différentes conditions (atmosphère, température, exposition isotherme ou cyclique) et comparée à celle de l'acier 316L issu de la métallurgie conventionnelle, considéré comme référence.L'acier SLM présente une meilleure résistance envers l'oxydation à haute température (700-1000°C) sous air dans toutes les conditions expérimentales étudiées. Ce meilleur comportement a été relié à un taux de Cr disponible à proximité de la couche d'oxyde suffisamment élevé pour maintenir la formation d'une couche protectrice de Cr2O3, contrairement au matériau conventionnel. Différentes hypothèses ont été discutées afin d'expliquer la meilleure diffusion du Cr du volume vers la surface du matériau SLM. L'origine du meilleur comportement de l'acier SLM a été identifiée dans sa microstructure, typique des procédés de FA par fusion laser. En effet, l'acier SLM contient un grand nombre de dislocations et de sous-joints de grains favorisant la diffusion. La présence de nano-inclusions d'oxyde a également un impact positif sur le comportement de l'acier SLM pendant de longues durées de vieillissement à haute température

Impact of Selective Laser Melting Additive Manufacturing on the High Temperature Behavior of AISI 316L Austenitic Stainless Steel

International audienceAdditive manufacturing allows production of complex geometries or customized designs that are difficult or impossible to fabricate by conventional means. However, these components have hardly ever been tested in severe conditions corresponding to real functioning at high temperature. The high temperature oxidation of AISI 316L stainless steel additively manufactured by selective laser melting (SLM) has been studied for 100 h at temperatures between 700 and 1000 °C in dry air and compared to that of wrought samples. Thermogravimetric analyses showed slower kinetics for SLM samples than for conventional coupons. In addition, SLM samples exhibit parabolic kinetics for all the studied temperatures, while conventional coupons present complete laws above 800 °C. Parabolic constant rate determined for 900 °C oxidation is one order of magnitude lower for SLM samples (1.73·10−13 g2 cm−4 s−1) than for wrought coupons (1.54·10−12 g2 cm−4 s−1). The resulting activation energy values confirm the better behavior of SLM alloys, in agreement with the formation at their surface of protective chromia Cr2O3. In contrast, additional formation of non-protective iron oxides was observed above 800 °C for the wrought samples. The different behavior could be explained by Cr depletion at the surface of conventional alloy, whereas Cr supply was still insured in the case of SLM material

Microstructure impact on high temperature corrosion behavior of AISI 316L stainless steel additively manufactured by Selective Laser Melting (AM-SLM)

International audienceAdditive Manufacturing by Selective Laser Melting (AM-SLM) is a near-net shape method producing dense and geometrically complex materials from micrometric powders. This process involves complete melting and very high cooling rates who induce a refinement of microstructure, improving the mechanical properties of the material [1,2]. However, the impact of these new microstructures on real functioning properties, like for instance the high temperature durability, needs to be studied. In this purpose, AISI 316L is considered in this work. Samples elaborated by AM-SLM and by conventional metallurgy were oxidized under laboratory air at 900°C for periods up to 3000h. The results highlight better behaviour for AM samples, which present a very good corrosion resistance throughout the 3000 hours. The conventional samples show a good resistance only during the first 1000 hours. These differences were related to the different composition of the oxide layers growing on the surface of the samples during the high temperature ageing: protective chromia for AM-SLM and non-protective iron oxides for conventional samples. To explain these differences of reactivity, several hypotheses were considered. XRD, SEM-EBSD and TEM studies were performed on initial samples in order to evaluate their microstructure, surface mechanical state and crystallographic orientation. The most promising hypothesis seems to be related to the microstructure (probably at nanoscale) of the samples. For AM-SLM coupons, a typical cellular structure was identified by TEM, with a size between 0.2 and 1 µm, corresponding to a very dense network of dislocations, which accumulate forming cell walls. Dislocation might act during the high temperature exposure as short-circuit paths for Cr diffusion from the bulk to the surface allowing the growth of protective scales for long ageing times. Moreover, AM-SLM samples found to contain large quantity of nano-inclusion that might equally influence corrosion behaviour