Offre de Thèse : Fabrication additive laser / lit de poudre : simulation numérique de la précipitation dans les superalliages.

    THÈSE CEMEF : Fabrication additive laser / lit de poudre : simulation numérique de la précipitation dans les superalliages.

    Objectif général

    Modélisation métallurgique des transformations de phase, Simulation du procédé, Optimisation.

    Contexte

    Le développement de moteurs d’avion de plus en plus performants et de moins en moins consommateurs de carburant nécessite l’élaboration de pièces toujours plus légères et conservant de bonnes propriétés thermomécaniques à haute température.
    La fabrication de pièces en superalliage base nickel par procédé additif de type fusion laser sur lit de poudre (LPBF) semble pouvoir permettre de répondre à ces objectifs. Cependant, la réalisation de pièces aux propriétés thermomécaniques satisfaisantes reste actuellement un défi, qui passe par la compréhension, la maitrise et l’optimisation des microstructures générées lors du procédé de mise en forme. En particulier, le cyclage thermique généré par le procédé de fabrication additive induit un cyclage précipitation/dissolution des phases durcissantes, éventuellement complétée par traitement thermique de la pièce fabriquée. Ainsi, la maitrise de l’évolution de la précipitation au cours du procédé est nécessaire pour optimiser les propriétés d’usage des pièces fabriquées.
    Le projet NILS définit des collaborations entre le groupe Safran et Mines Paris visant à améliorer les propriétés des pièces fabriquées en superalliages base nickel par le procédé LPBF. Il s’articule autour de 4 thèses réalisées en étroites collaborations. La thèse proposée ici vise à modéliser et optimiser la présence des phases durcissantes lors du procédé de fabrication additive.

    Présentation détaillée

    Le travail de thèse consiste en une modélisation numérique des séquences de précipitation/dissolution des phases durcissantes au cours du procédé de fabrication additive pour deux superalliages base nickel. Il se décline en deux parties :
    En premier lieu, il s’agira de modéliser l’histoire thermique de la pièce au cours de sa fabrication et en tout point du métal solidifié. On utilisera pour cela le modèle en éléments finis développé par Zhang et al. [1] au CEMEF.


    Fig.1 Répartition de la température en cours de fabrication LPBF[1]

    En second lieu, il s’agira de développer un modèle numérique permettant de prédire l’évolution de la distribution de précipités en fonction de l’histoire thermique locale du matériau. Pour cela, on développera le modèle de champ moyen PREC [2, 3] de la librairie PhysalurgY du CEMEF [4]. Cette librairie constitue une banque d’outils de modélisation d’évolutions microstructurales couplés au logiciel Thermo-Calc et à ses bases de données thermodynamiques [5].
    Ces deux travaux de modélisation et leur couplage permettront de simuler l’évolution de la distribution de précipités au cours de la fabrication de pièces de superalliage base nickel par fabrication additive LPBF. Les résultats de simulation seront confrontés à des observations expérimentales réalisées d'une part dans le cadre d’une autre thèse du projet NILS, et d'autre part sur les équipements industriels de Safran Additive Manufacturing Campus. Le travail en forte synergie recherche-industrie proposera des modifications du procédé en vue d’optimiser la fabrication de composants stratégiques des moteurs.

    Références bibliographiques :

    [1] Zhang, Y., Gandin Ch.-A., Guillemot (2022). Finite Element Modeling of Powder Bed Fusion at Part Scale by a Super-Layer Deposition Method Based on Level Set and Mesh Adaptation. Journal of Manufacturing Science and Engineering 144 (5)
    [2] Legrand, V. (2015). Modélisation des processus de précipitation et prédiction des propriétés mécaniques résultantes dans les alliages d’aluminium à durcissement structural: Application au soudage par Friction Malaxage (FSW) de tôles AA2024 (Doctoral dissertation, Paris, ENMP).
    [3] Jacquin, D. & Guillemot, G. (2021). A review of microstructural changes occurring during FSW in aluminium alloys and their modelling. Journal of Materials Processing Technology, 288, 116706.
    [4] Guillemot, G. & Gandin, C. A. (2017). An analytical model with interaction between species for growth and dissolution of precipitates. Acta Materialia, 134, 375-393.
    [5] Andersson, J. O., Helander, T., Höglund, L., Shi, P. & Sundman, B. (2002). Thermo-Calc & DICTRA, computational tools for materials science. Calphad, 26(2), 273-312.


    Profil et compétences recherchés

    M2 et/ou diplôme d’ingénieur avec compétences en métallurgie physique, en modélisation numérique.


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    Informations générales

    • Thème/Domaine : Mécanique Numérique et Matériaux
    • Lieu de travail : CEMEF, Sophia Antipolis (Site de Mines Paris).
    • Mots clés :Modélisation, précipitation à l’état solide, fabrication additive
    • Type de projet / collaboration : la thèse (CIFRE) est financée par SAFRAN

    Direction et encadrement

    Projet de recherche réalisé dans le cadre de l'équipe 2MS (Métallurgie, Mécanique, Structures et Solidification) du CEMEF (Mines Paris, PSL Université).
    Le doctorant sera encadré par différents permanents chercheurs et enseignants-chercheurs de l’équipe 2MS (Oriane Senninger, Charles-André Gandin, Michel Bellet, Yancheng Zhang), et bénéficiera des moyens informatiques du CEMEF, ainsi que de la formation associée.

    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
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