Elaboration d’aciers inoxydables composites duplex par métallurgie des poudres

Le laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB), Unité Mixte de Recherche CNRS / UBE / UTBM compte 300 physiciens, chimistes, ingénieurs et techniciens implantés en Bourgogne-Franche-Comté, sur les sites de Dijon, Le Creusot, Chalon-sur-Saône et Belfort (Sévenans).
Ils y développent de nouvelles fonctionnalités en optique et pour les matériaux du futur, à destination d’applications dans l’industrie (photonique, métallurgie, industrie 4.0,…), la médecine, les communications optiques à haut débit, le traitement de l’information à une échelle nanométrique, l’énergie et les technologies quantiques.

Soutenus par 5 plateformes technologiques, l’unité s’articule autour de 6 départements de recherche :

– CO2M (Conception, Optimisation et Conception en Mécanique),
– ICQ (Interactions et Contrôle Quantiques),
– Interfaces,
– Nanosciences,
– Photonique,
– PMDM (Procédés Métallurgiques, Durabilité, Matériaux).

L’élaboration de pièces métalliques par métallurgie des poudres représente un secteur en plein essor. L’amélioration des propriétés d’usage constitue un enjeu primordial pour de nombreux secteurs industriels (aéronautique, nucléaire…). Dans ce contexte, la compaction isostatique à chaud (CIC ou HIP en anglais pour hot isostatique pressing) et le frittage flash (SPS pour spark plasma sintering) représentent des procédés d'élaboration et de mise en forme de pièces métalliques alternatifs aux procédés usuels (coulée, forgeage et usinage). Les avantages liés à ces procédés concernent :

- le matériau lui-même : les microstructures élaborées sont différentes de celles obtenues par d'autres procédés et sont, en particulier, très homogènes, avec des petits grains équiaxes, conduisant potentiellement à des propriétés mécaniques et d'usage améliorées ;

- la possibilité d’élaborer des nouvelles nuances de matériaux, par exemple en mélangeant des poudres de compositions chimiques différentes ;

- la mise en forme : grâce à la technologie CIC il est possible d'obtenir des pièces proches des cotes finales, y compris sur des formes complexes, ce qui permettrait de réduire (voire de supprimer) les coûts d'usinage postérieurs.

Dans une étude précédente, des aciers composites duplex (nommés COMPLEX) ont été élaborés avec succès en mélangeant des poudres d’acier inoxydable austénitique de type 316L (γ, 17 % Cr, 12 % Ni, 2 % Mo) et ferritique de type 410L (α, 13 % Cr). La singularité de cette approche réside dans le fait que, dans les pièces frittées par SPS et CIC, la taille caractéristique des phases est celle des particules de poudre initiales (jusqu’à quelques centaines de microns), supérieure à celle des grains métallurgiques des aciers duplex élaborés par des techniques conventionnelles. Cinq mélanges contenant des proportions massiques de poudre ferritique comprises entre 10 et 90 % ont été frittés et caractérisés. Les résultats microstructuraux ont révélé la formation de martensite aux interfaces austénite/ferrite et les analyses EDS ont montré que la diffusion du fer, du chrome et du nickel entre le 316L et le 410L influence la largeur de la région martensitique.

L’objectif de ce stage sera d’élaborer des aciers COMPLEX à partir d’un mélange de poudres austénitique 316L et ferritique 430L, contenant le même taux de chrome. L’étude portera sur les phénomènes de diffusion élémentaire dans un mélange de poudres à composition homogène en chrome, ainsi que sur son impact sur la microstructure finale. Les deux techniques de frittage sous charge, SPS et CIC, seront utilisées de manière complémentaire. Les poudres, ainsi que les matériaux frittés, seront caractérisées d’un point de vue chimique et microstructurale par microscopie optique, microscopie électronique à balayage et analyses EBSD, couplées à des analyses par diffraction des rayons X. En parallèle, les propriétés mécaniques seront évaluées via des mesures de dureté, de résilience et des essais de traction.

Références bibliographiques :

R. Mvodo Eba et al. “Microstructural evolutions and diffusion phenomena during the elaboration of new duplex composite stainless steels by hot isostatic pressing”, Mat. Chem.Phys, 345 (2025) 131276. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2025.131276

R. Mvodo Eba et al. “Phase transformation mechanisms occurring during spark plasma sintering elaboration of new duplex composite stainless steels”, Mat.Chem.Phys, 325 (2024) 129796.  https://doi.org/10.1016/.matchemphys.2024.129796

Étudiant en M2 ou école d'ingénieurs.