Electropolishing of additively manufactured watchmaking alloys in aqueous and ionic solvent
Etude de l’électropolissage d’alliages horlogers issus de fabrication additive en milieu aqueux et solvant non-conventionnel
Résumé
This work is part of the project"MOMEQA" whose main purpose is to supportinnovation in watchmaking industry in Franche-Comté. For high-end pieces, the first visualimpression is crucial and that is why a neatfinishing is required. This is achieved byelectropolishing, which consists in anelectrochemical dissolution process that enablessurface roughness reduction. Although it ispresent in several applications, fundamentalmechanisms of electrochemical polishingremain poorly understood and tailoring theprocess to additive manufacturing parts is in itsearly stages. The first part of the study isdedicated to brass and 316L stainless steel.Basic electrolytic baths (H3PO4 for brasses anda H3PO4/ H2SO4 mixture for 316L stainlesssteel) are used as references. A preliminaryelectrochemical study allows the determinationof optimal electropolishing conditions for eachmaterial and medium. A special attention hasbeen paid to characterization methods, such asmicro-roughness, brightness, microstructure,texture and corrosion resistance. Subsequently,the study was restricted to both cast and additivemanufacturing 316L stainless steels, in order toidentify the influence of manufacturing processon the electropolishing ability. To meet theproject requirements, a pilot cell dedicated tolarge area parts was designed and built. The aimwas to study the scale-up as well as the effectsof workpieces shape. The outcome of this studywas the realization of a mirror finish on a watchdial, allowing validation of the pilot-cell design.The last part of our study consists in replicatingthe process in a less harmful electrolyte, a greensolvent (Deep Eutectic Solvent), made by amixture of choline chloride and ethylene glycol.This allows successful electropolishing,compatible with an industrial application.Moreover, it makes possible in-situ AFMmeasurements, impossible in highly corrosiveelectrolytes. Finally, a model forelectropolishing mechanism in the case of 316Lstainless steel was proposed for both media,allowing a good simulation of electrochemicalimpedance spectroscopy behaviour.
Ce travail de thèse s’inscrit dans lecadre du projet « MOMEQA » dont l’objectif est le soutien à l’innovation dans l’industrie horlogère en Franche-Comté. La première impression visuelle conditionne notre relation à l’objet, c’est pourquoi une finition soignée est primordiale. L’électropolissage est un procédéde dissolution électrochimique permettant der éduire la rugosité de surface d’un objet. La pièce traitée constitue l’anode dans une cellule d’électrolyse. La première partie de l’étude est consacrée aux laitons et à l’acier inoxydable 316 L. Une étude électrochimique préliminaire a permis de définir les conditions optimales d’électropolissage pour chaque matériau et milieu. La suite de l’étude a été dédiée à l’étude des comportements des aciers inoxydables 316L de fonderie comme de fabrication additive, afin de mettre en évidence l’influence du procédé de fabrication sur l’aptitude à l’électropolissage. Un dispositif spécialement conçu a également permis de faire varier les conditions hydrodynamiques et d’appliquer des ultrasons,en vue d’optimiser l’agitation. L’obtention d’une finition poli miroir sur des carrures de montres a validé la conception du pilote. Enfin, l’usage d’un électrolyte moins nocif que les mélanges d’acides, le Deep Eutectic Solvent constitué d’un mélange de chlorure de choline et d’éthylène glycol se montre prometteur. L’utilisation de ces olvant non-conventionnel permet d’utiliser des techniques d’analyses de surface impraticables in-situ en milieu très corrosif, tel que l’AFM. Finalement, un modèle décrivant les mécanismes d’électropolissage de l’acier inoxydable 316 L dans les deux milieux a été proposé, qui permet une bonne simulation des résultats de spectroscopie d’impédance électrochimique
Origine : Version validée par le jury (STAR)