Offre de Thèse : Nickel superalloys by Laser Scan – Modeling

    THÈSE CEMEF 2021 :

    La fabrication additive des superalliages base nickel : modélisation métallurgique du chemin de solidification et du risque de fissuration en simulation numérique du procédé à l’échelle des cordons élémentaires.

    Contexte de la thèse

    L’industrie aéronautique s’implique aujourd’hui fortement dans le développement des technologies de fabrication additive. Les possibilités offertes par ces procédés, notamment le procédé Laser Powder Bed Fusion (LPBF - Fusion Laser sur Lit de Poudre) en termes de conception, d’adaptation des propriétés des matériaux selon les sollicitations envisagées par zones de pièces les rendent capables d’accompagner la mise en place de nouvelles typologies de pièces et technologies pour les moteurs futurs. Le groupe Safran souhaite utiliser le procédé LPBF pour la fabrication de pièces en superalliages base nickel à durcissement structural, adaptés aux parties chaudes des moteurs. Une grande partie de ces alliages reste cependant inéligible à une fabrication par LPBF, du fait de leur caractère difficilement soudable. En effet, les pièces tendent à fissurer au cours de la fabrication, en raison des gradients thermiques importants au passage du faisceau laser. La fissuration peut soit intervenir lors de la solidification du matériau, soit lors du traitement thermique ultérieur des pièces. Une première collaboration entre Mines ParisTech et Safran a permis d’identifier des pistes prometteuses pour résoudre cette problématique [Gra2020].

    Le projet « Processing crack-free parts in refractory NIckel superalloys by Laser Scan : thermal control and advanced numerical & experimental metallurgy » (NILS) (2021-2025) de collaboration entre Mines ParisTech et Safran vise aujourd’hui à approfondir ces pistes. Le développement d’outils thermiques et métallurgiques innovants permettra une meilleure compréhension de la fissuration et sa totale suppression. La stratégie adoptée par ce projet est celle d’une synergie forte entre des moyens expérimentaux avancés et une simulation multiphysique, grâce à un ensemble de 4 thèses en interaction forte.

    Mines ParisTech a développé des compétences en fabrication additive dans ses deux centres de recherche : le Centre des Matériaux d’Evry (CMAT) et le Centre de Mise en forme des Matériaux (CEMEF) à Sophia Antipolis. Plus précisément pour le procédé objet de l’étude, le CMAT dispose de machines LPBF pouvant être modifiées et instrumentées, tandis que le CEMEF a développé une simulation numérique du procédé pouvant fonctionner soit à l’échelle des cordons élémentaires résultant de la fusion du lit de poudre, soit à l’échelle de la pièce. Ainsi, le projet NILS se structure autour de 4 thèses en interaction forte :

    • Thèse 1: développement expérimental d’un nouveau procédé LPBF en agissant sur le mode de chauffage, avec fabrication de pièces/éprouvettes et d’un démonstrateur utilisé pour la caractérisation métallurgique à différentes échelles, et pour la validation des simulations numériques.
    • Thèse 2: simulation numérique du procédé à l’échelle des cordons, ou mésoscopique, en développant les modèles de prédiction des microstructures spécifiques obtenues en solidification ultra rapide (phases formées, structure cristalline). Prédiction du risque de fissuration pendant la fabrication LPBF.
    • Thèse 3: simulation numérique du procédé à l’échelle de la pièce, ou macroscopique, en développant les modèles de précipitation des phases durcissantes, cette précipitation dépendant du cyclage thermique caractéristique du LPBF et du mode de chauffage expérimenté et optimisé en Thèse 1. Prédiction du risque de fissuration lors du traitement thermique.
    • Thèse 4: caractérisation métallurgique fine des pièces/éprouvettes obtenues dans la Thèse 1. Analyse de la microstructure et des compositions chimiques à différentes échelles pour comprendre l’impact des paramètres procédé sur l’apparition de fissures, en LPBF et au traitement thermique ultérieur.

    La présente offre de thèse concerne la Thèse 2, parmi les 4 thèses ci-dessus.

    Figure. Simulation numérique mésoscopique : en haut, thermo-hydraulique méso PBF de cordons produits par fusion/solidification de lit de poudre [Que2021] ; en bas, structure de grains d’un cordon, formée depuis un substrat base nickel (coupe longitudinale) [Cam2021].

    Présentation détaillée

    Pour certains superalliages à base de nickel, le phénomène de fissuration à chaud constitue un point bloquant pour leur mise en forme par fabrication additive par procédé LPBF. Cette fissuration de type intergranulaire, qui se produit en fin de solidification, est responsable de microfissures générées lors des séquences répétées de fusion/solidification du matériau exposé au laser. La littérature indique une sensibilité forte à la présence de certaines phases métallurgiques et/ou oxydes ou carbures au voisinage des joints de grains. Ainsi on peut penser que la fissuration résulte de la conjonction de différents facteurs : une sollicitation mécanique locale, appliquée à une certaine structure de grains, et en présence d'agents pathogènes.

    Par conséquent, le champ d'étude de la thèse englobe de manière interactive la thermomécanique et la formation de la microstructure. Outre son rôle sur la fissuration à chaud, l’état métallurgique brut de fabrication (i.e. en sortie de machine LPBF) doit être bien caractérisé car il contribue aux propriétés futures de la pièce. Dans ce double contexte, le chemin de solidification, c’est‑à‑dire l’évolution des phases thermodynamiques et leurs compositions chimiques en fonction des paramètres locaux du procédé (e.g., vitesse de refroidissement), reste insuffisamment compris. De manière similaire, la structure de grains influence les propriétés mécaniques compte tenu de son anisotropie caractérisée par une texture de fibre développée dans la direction de construction de la pièce. Elle est également identifiée comme un paramètre primordial de la fissuration à chaud. Tant le chemin de solidification que la structure de grains sont à prendre en compte comme données métallurgiques d’entrée à un critère de fissuration à chaud fonctionnel et pour concevoir les étapes consécutives au procédé LPBF (e.g., les traitements thermiques).

    Pour aider à définir les fenêtres de fabrication des alliages cibles de l'étude, comprendre les phénomènes et leur influence, et mieux appréhender le développement et la mise en œuvre d'autres superalliages, l'objectif de la thèse est d'implémenter dans une simulation à l'échelle du cordon la prédiction de la microstructure et de son rôle sur l’apparition de la fissuration à chaud. Cette simulation méso‑PBF sera construite en continuité avec les travaux de thèse d'Alexis Queva [Que2021] au CEMEF, qui ont porté sur les aspects thermo‑hydrauliques. Elle bénéficiera également des développements des doctorants Chengdan Xue [Xue2021] pour la modélisation de la fissuration à chaud d’un acier 316L en soudage et Théophile Camus pour la modélisation de la structure de grains par la méthode automate cellulaire (CA) appliquée aux procédés LPBF pour l’Inconel 718 [Cam2021].

    Travaux attendus dans la thèse 2

    • Développement d’un modèle numérique de microségrégation couplé avec le calcul de la cinétique de croissance de la microstructure dendritique étendu aux hautes vitesses de solidification, la diffusion chimique dans la phase primaire de solidification, et la formation des phases intermétalliques développées dans le liquide interdendritique.
    • Implémentation du modèle de microségrégation dans le logiciel méso‑PBF, nécessitant le développement de tabulations ou de stratégies de surfaces de réponse.
    • Simulations thermomécaniques (thermo‑hydro‑mécanique) à l’échelle du bain de fusion avec les modèles métallurgiques avancés pour des configurations LPBF et LPBF++.
    • Intégration d’un critère enrichi de fissuration à chaud basé sur celui de Won-Yeo-Seol-Oh [Won2000] (modèle WYSO) couplé aux prédictions du chemin local de solidification et à la structure de grains (CA).
    • Evaluations/discussions des prédictions avec des histoires thermiques mesurées et les caractérisations expérimentales des microstructures et des fissurations à chaud.

    Références bibliographiques :
    [Gra2020] D. Grange, Fusion laser sélective de pièces en INCONEL 738 et RENÉ 77 : Vers une maîtrise de la fissuration au cours du procédé pour les superalliages à haute fraction de précipités γ', Thèse de doctorat, MINES ParisTech, 03 Novembre 2020
    [Xue2021] C. Xue, Numerical metallurgy supporting arc welding processes: Virtual materials for mastering defects, Agence Nationale de la Recherche (ANR), Projet NEMESIS, Ph.D. thesis, in preparation (2021).
    [Cam2021] T. Camus, Numerical modeling of microstructure in In718 for additive manufacturing, Projet AFH-CETIM, Ph.D. thesis, in preparation (2021).
    [Que2021] A. Queva, Simulation numérique multiphysique du procédé de fusion laser de lit de poudre - Application aux alliages métalliques d’intérêt aéronautique, Projet SAFRAN, Ph.D. thesis, in preparation (2021).
    [Won2000] Y. M. Won, T. J. Yeo, D. J. Seol, K. H. Oh, A new criterion for internal crack formation in continuously cast steels, Metallurgical and Materials Transactions 31B (2000) 779.


    Profils et compétences recherchés

    Ingénieur ou équivalent, motivé par les sciences des matériaux et la modélisation numérique. Le poste est basé au Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) à Sophia Antipolis. Dans le cadre d’une convention Cifre, le candidat interagira avec les équipes de l’usine Safran Additive Manufacturing Campus (SAMC) au Haillan. A ce titre, il sera amené à se rendre sur cette toute nouvelle usine dédiée au développement des technologies de fabrication additive et à la production de pièces.


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    Informations générales

    • Thème/Domaine : Mécanique Numérique et Matériaux
    • Lieu de travail : La thèse se déroulera au CEMEF (MINES ParisTech, Sophia Antipolis, 06)
    • Mots clés : Fabrication additive, Solidification, Alliages base nickel, Métallurgie, Mécanique
    • Durée de contrat : 3 ans à partir du 1er octobre 2021
    • Type de projet/Collaboration : Projet collaboratif avec SAFRAN
    • Rémunération : convention ANRT CIFRE
    • Date limite pour postuler : 31 août 2021

    Contacts

    • Equipe CEMEF : Métallurgie, Mécanique , Structures et Solidification  [2MS]
    • Encadrants : Gildas Guillemot, Charles-Andé Gandin, Michel Bellet

    Consignes pour candidater

    • les papiers requis pour postuler :
    • CV détaillé
    • Lettre de motivation
    • Deux lettres de recommandation
    • Relevés de notes des trois dernières années et classement dans la promotion
    Information ! Les candidatures doivent être déposées en ligne sur le site Cemef. Le traitement des candidatures adressées par d'autres canaux n'est pas garanti.
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