Soutenance de thèse de Karen Alvarado Vargas

– Prof. Julien Bruchon, Ecole des Mines de Saint Etienne, SMS, rapporteur

– Prof. Michel Perez, INSA Lyon, rapporteur

– Prof. Alain Hazotte, Université de Lorraine, LEM3

– Prof. Olga Bylya, University of Strathclyde, Advanced Forming Research Centre

– Dr. Pascal De Micheli, Transvalor

Dans la plupart des superalliages polycristallins à base de nickel, la taille des grains est contrôlée par les particules de seconde phase qui entravent la migration des joints de grains. Le modèle Smith-Zener décrit cette interaction physique. Les processus de forgeage industriels impliquent des étapes de déformation à chaud près de la température de dissolution des particules. Par conséquent, il est essentiel de comprendre et de prévoir leur évolution afin de contrôler correctement la taille des grains obtenue après un traitement thermique donné ; ainsi que les propriétés associées.

 

Trois superalliages à base de nickel ont été étudiés (AD730, René 65, N19) avec une série de traitements isothermes et d’analyses microstructurales détaillées basées sur les techniques MEB et EBSD. Plus précisément, pour les précipités 𝛾’ primaires, la fraction des particules, leur taille et leur morphologie ainsi que l’évolution de la taille des grains ont été analysés. Une équation a été établie pour décrire l’évolution de ces précipités dans chacun des trois matériaux en fonction de la température et du temps, à l’aide de données expérimentales, de résultats de calculs Thermo-Calc et du modèle Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK).

 

Des simulations numériques par la méthode des éléments finis ont été ensuite effectuées pour simuler la croissance de grains, avec une formulation à champ complet employant la méthode Level-set (LS) et une population de particules de seconde phase évoluant selon les cinétiques précédemment établies. Cette approche numérique a été privilégiée par rapport aux autres méthodes de la littérature car elle permet de simuler de grandes déformations, ce qui ouvre la possibilité de reproduire des chemins thermomécaniques plus réalistes par rapport à ceux utilisées en mise en forme industrielle des matériaux métalliques, où les gammes comprennent des étapes de déformation à chaud et des traitements thermiques. Cette thèse propose un nouveau formalisme basé sur la méthode LS pour modéliser les mécanismes de croissance de grains sous l’influence de l’ancrage de Smith-Zener et capable de considérer l’évolution des précipités. Les précipités sont représentés par une fonction distance supplémentaire et un traitement numérique des joints de grains à proximité des précipités est appliqué pour reproduire correctement la pression d’ancrage. Ainsi, en prenant en compte la cinétique de dissolution réelle des précipités avec des lois phénoménologiques, ces simulations permettent de prédire les évolutions des grains non seulement à l’état stationnaire aux temps longs, mais également dans le régime transitoire.

 

 

Mots-clés : croissance de grains, ancrage de Smith-Zener,  méthode Level-Set, simulations à champ complet, superalliages 𝛾-𝛾’, dissolution des précipités