Soutenance de thèse de Zixuan Li

Simulation multiphysique à l’échelle du cordon de la fabrication additive L-PBF de l’acier 316L : écoulements thermo-fluides, croissance des grains et viscoplasticité cristalline

Zixuan Li a réalisé sa recherche doctorale au sein de l’équipe 2MS sous la direction de Yancheng Zhang, Michel Bellet et Charles-André Gandin. Il soutiendra sa thèse de doctorat en spécialité Mécanique Numérique et Matériaux le 2 décembre 2025 sur le sujet :

Simulation multiphysique à l’échelle du cordon de la fabrication additive L-PBF de l’acier 316L : écoulements thermo-fluides, croissance des grains et viscoplasticité cristalline

devant le jury suivant :

M. Lionel GÉLÉBART, CEA, Rapporteur
Mme Bai-xiang XU, Technical University of Darmstadt, Rapporteure
M. Yabo JIA, LAMIH, University polytechnic hauts-de-France, Examinateur
M. Eric CHARKALUK, Laboratoire de mécanique des solides (LMS), École Polytechnique, Examinateur
M. Manas UPADHYAY, Laboratoire de mécanique des solides (LMS), École Polytechnique, Examinateur
M. Yancheng ZHANG, Mines Paris-PSL, Examinateur
M. Michel BELLET, Mines Paris-PSL, Examinateur
M. Charles-andré GANDIN, Mines Paris-PSL, Examinateur

Résumé :
Le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) permet la production de composants métalliques complexes présentant d’excellentes performances mécaniques. Cependant, la formation de microstructures dendritiques colonnaires lors de la solidification rapide induit une forte anisotropie mécanique et une accumulation de contraintes pouvant entraîner des fissures de solidification. La compréhension des mécanismes à l’origine de ces phénomènes nécessite une approche multiphysique globale qui couple le transfert de chaleur, la dynamique des fluides, l’évolution de la microstructure et la mécanique à l’échelle cristalline. Cette étude présente un cadre de simulation couplé dans lequel l’écoulement des fluides, l’évolution de la structure granulaire et la mécanique des solides sont résolus simultanément à chaque incrément de temps. Le comportement du bain de fusion est simulé à l’aide d’un modèle par éléments finis basé sur un niveau défini qui capture le déplacement de l’interface et l’écoulement de la matière en fusion. L’évolution de la structure granulaire dans la zone pâteuse est décrite par un modèle d’automate cellulaire (CA), qui permet de prédire la morphologie et l’orientation des grains colonnaires. Le champ de contraintes est calculé à l’aide d’une formulation élasto-viscoplastique cristalline (CEVP), qui résout la déformation basée sur le système de glissement au sein des grains individuels afin de capturer les réponses mécaniques anisotropes à l’échelle de la piste. Le modèle est appliqué au traitement L-PBF à piste unique et à pistes multiples de l’acier inoxydable 316L. Les simulations à l’échelle de la piste révèlent les interactions entre le développement de la microstructure et la génération de contraintes, mettant en évidence les hétérogénéités intra-grains et le rôle crucial de l’orientation des grains et des joints de grains. Cette approche intégrée apporte de nouvelles connaissances sur le comportement thermo-métallurgique-mécanique couplé des alliages métalliques dans le L-PBF et fournit une base solide pour le développement futur de prévisions plus fiables des défauts de solidification, mais aussi pour le développement futur d’activateurs permettant de les atténuer dans la fabrication additive métallique.

Mots-clés : Méthode des éléments finis,plasticité cristalline,automate cellulaire,L-PBF