Simulation et validation expérimentale du traitement thermique superficiel au laser appliqué à des géométries complexes

RÉSUMÉ: Le traitement thermique superficiel au laser est un procédé qui vise à améliorer la résistance des pièces mécaniques à l’usure et à la fatigue en augmentant la dureté des surfaces critiques. Se distinguant par son apport thermique bref et localisé, par sa capacité en matière de puissance surfacique et par ses cycles thermiques rapides et précis, ce procédé permet d’améliorer la résistance à l’usure et à la fatigue en durcissant les zones critiques superficielles de la pièce tout en limitant les risques de déformations indésirables. Les caractéristiques mécaniques de la zone durcie obtenue par traitement thermique au laser dépendent des propriétés physicochimiques du matériau à traiter et de plusieurs paramètres du procédé lui-même. L’exploitation adéquate des possibilités qu’offre ce procédé nécessite le développement de stratégies permettant de contrôler ces paramètres de manière à produire avec précision les caractéristiques désirées sans recourir au traditionnel long et couteux processus essai-erreur. L’objectif du projet consiste à analyser les relations de dépendance entre le profil de dureté et les paramètres du procédé dans le but d’établir des modèles simples permettant la prédiction du profil de dureté dans le cas de traitement de pièces mécaniques en acier AISI 4340 de géométries complexes. Une grande partie de ces analyses a été réalisée grâce à des simulations sur des modèles numériques 3D utilisant la méthode des éléments finis. Pour arriver à des modèles prédictifs consistants, une approche en trois phases a été adoptée. La première a consisté à développer le modèle 3D et à le valider expérimentalement pour des géométries simples. Cette phase a permis d’analyser les effets des différents paramètres sur le profil de dureté en se basant sur une expérimentation structurée combinée à des techniques éprouvées d’analyse statistique. Les résultats de cette étude ont conduit à l’identification des variables les plus pertinentes à exploiter pour la modélisation. La seconde phase a permis d’enrichir le modèle 3D et les résultats de simulation pour les combiner avec les données expérimentales dans le but d’élaborer les modèles prédictifs les plus précis possible. Deux techniques de modélisation ont été considérées à cet effet, soient la régression multiple et les réseaux de neurones. Enfin, la troisième phase a été consacrée au développement du modèle 3D pour des géométries complexes et à sa validation expérimentale. Ce modèle a été appliqué avec succès dans le cas d’un engrenage. Au cours des trois phases, les résultats obtenus se sont avérés très satisfaisants et ont montré une concordance remarquable entre les prédictions et les mesures expérimentales. -- Mot(s) clé(s) en français : traitement thermique par laser, traitement thermique superficiel, simulation 3D, profile de dureté, réseau de neurones, engrenage. -- ABSTRACT: Laser surface hardening transformation is a superficial heating process which aims to enhance the wear and fatigue resistance by hardening the superficial critical areas of mechanical parts. This process is well-known by his capacity in terms of power flux density and recognized by his fast, local and accurate thermal cycles, while limiting the risks of undesirable distortion and deformation effects. The mechanical properties of the hardened surface depend of the physicochemical properties of the material as well as the heating system parameters. To adequately exploit the advantages presented by this heating method, it is necessary to develop a comprehensive strategy to control and adjust the process parameters in order to produce desired hardened surface characteristics without being forced to use the traditional and fastidious trial and error procedures. This study aims to analyse the relationship between the hardness profile and the process parameters in order to build a basic prediction models for hardness profile for AISI 4340 steel mechanical parts with complex geometries. The presented results in the study were achieved using finite elements method based numerical 3D models. To reach accurate and robust hardness profile predictive models, a three-step approach was adopted. The first step consists to develop and test experimentally the numerical 3D model for simple geometries. The model is used to evaluate the effects of different parameters on the hardness profile using a structured experimental design combined to confirmed statistical analysis tools. The results of this phase permitted the identification of the most relevant variables to use in the modeling stage. Then, the second step consists of enhancing and enriching the numerical model used to generate the modelling data base in order to improve the accuracy and the robustness of the predictive models. Two modeling techniques have been considered for the modelling purpose: multiple regression and neural networks. Finally, the third step consists of adapting various generated models to complex geometries. The models was successfully applied and experimentally confirmed in the case of a gear. The results obtained in each step were very satisfying and showed great concordance between predicted results and experimental measures. -- Mot(s) clé(s) en anglais : laser heat treatment, surface transformation hardening, 3D simulation, case depth, hardness profile, neural network, gears