Soutenance de thèse de Zichen Kong

Procédé de fabrication additive laser-fil(WLAM) : simulation numérique multiphysique du transfert de chaleur, de l’écoulement des fluides et de la formation des microstructures. Application au superalliage IN718

Zichen Kong a réalisé ses travaux de recherche dans l’équipe 2MS sous la direction de Gildas Guillemot, Michel Bellet et Charles-André Gandin. Elle soutiendra sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 15 décembre 2025 sur le sujet :

Procédé de fabrication additive laser-fil(WLAM) : simulation numérique multiphysique du transfert de chaleur, de l’écoulement des fluides et de la formation des microstructures. Application au superalliage IN718

devant le jury suivant :
M. Mickael COURTOIS, Université de Bretagne Sud, Rapporteur
M. Daniel WEISZ-PATRAULT, École des Ponts ParisTech, Rapporteur
Mme Marion RISBET, Université de Technologie de Compiègne, Examinatrice
M. Christophe TOURNIER, ENS Paris-Saclay,Examinateur
M. Michel BELLET, Mines Paris – PSL, Examinateur
M. Gildas GUILLEMOT, Mines Paris – PSL, Examinateur
M. Charles-André GANDIN, Mines Paris – PSL, Examinateur
M. Denis SOLAS, Université Paris-Saclay, Examinateur

Résumé :
Le procédé Wire Laser Additive Manufacturing (WLAM) est une technique de fabrication additive permettant de produire des pièces métalliques de grande dimension à haute valeur ajoutée à partir d’un fil métallique continument fondu par laser. Son efficacité et son taux de dépôt élevé en font une alternative intéressante aux procédés sur lit de poudre pour la production de pièces structurelles dans les domaines de l’aéronautique et de l’énergétique. La maîtrise de la qualité géométrique et microstructurale des dépôts reste toutefois un enjeu majeur, ces caractéristiques étant fortement influencées par les conditions thermiques et hydrodynamiques au sein du bain de fusion, elles-mêmes dépendantes des paramètres procédé exploités.

Dans ce contexte, le travail de doctorat présenté ici, réalisé dans le cadre du projet ANR COLUMBO, vise à développer un modèle numérique complet pour la prédiction des évolutions thermo-hydrauliques et microstructurales, à l’échelle du cordon de matière déposé par procédé WLAM. Le matériau étudié est l’Inconel 718, alliage base nickel d’intérêt industriel, retenu pour ses excellentes propriétés mécaniques, sa résistance à la corrosion à haute température et son fort coefficient d’anisotropie élastique, paramètre qui conditionne fortement la contrôlabilité des méthodes ultrasonores (US). Par ailleurs, un dispositif original de chauffage par trois faisceaux laser convergents, développé par le partenaire LURPA, a également été mis en œuvre et étudié dans le cadre de ce projet.

Un modèle de source volumique, sans représentation explicite du fil, est proposé pour décrire les transferts de masse et de chaleur associés à l’apport de matière. La résolution thermo-hydraulique mise en œuvre, basée sur la méthode des éléments finis, permet de reproduire les distributions de température et la morphologie du bain de fusion en fonction des paramètres de procédé (puissance laser, vitesse de déplacement, débit de fil, etc.). Son principal avantage est de réduire significativement le temps de calcul d’environ un mois à quelques jours par rapport aux études documentées dans la littérature pour des configurations équivalentes, tout en conservant un niveau de précision satisfaisant. La résolution thermique est couplée à une méthode automate cellulaire permettant la prédiction des microstructures de solidification, et donnant accès, en particulier, à la morphologie et l’orientation cristallographique des grains.

Une analyse paramétrique sur plusieurs configurations de dépôts monocordon a permis d’évaluer l’influence des paramètres procédé sur la morphologie du cordon et la structure de grains obtenue. Les résultats ont montré une bonne cohérence avec les observations expérimentales sur ces cas de dépôts simples. L’approche proposée a ensuite été étendue à des configurations multi-cordons, représentatives du procédé industriel. Dans ces cas complexes, des écarts plus marqués avec l’expérience sont observés, notamment sur la morphologie des cordons, soulignant la sensibilité du modèle aux interactions thermiques entre passes mais également aux conditions d’arrivée du fil.

La méthodologie développée constitue néanmoins une base numérique robuste et efficace pour l’analyse prédictive et l’optimisation du procédé WLAM, offrant une compréhension approfondie des mécanismes thermiques et évolutions microstructurales, et contribuant en cela à l’amélioration progressive du procédé et de la qualité des pièces produites.

Microstructure simulée d’un monocordon, obtenue par la méthode CAFE.
Prédiction numérique correspondant à un essai expérimental réalisé en WLAM

Mots-clés : WLAM, Fabrication Additive, Solidification, Microstructure, Modélisation CAFE, Thermo-hydraulique