Métallurgie, microStructure, Rhéologie – MSR

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    MEMBRES PERMANENTS DE L'ÉQUIPE

    Marc Bernacki (responsable)
    Charbel Moussa
    Cyrille Collin
    Gilbert Fiorucci
    Alexis Nicolaÿ
    Baptiste Flipon
    Madeleine Bignon
    Oriane Senninger
    Karim Inal
    Daniel Pino Muñoz

    DOMAINE de recherche

    Évolutions de microstructure des alliages métalliques au cours des opérations de mise en forme par voie thermomécanique (à l'état solide).

    Applications

    - Mise en forme à chaud et à froid, grandes déformations
    - Traitements thermiques
    - Recristallisation, croissance de grains, transformations de phase
    - Superalliages base nickel, alliages de titane, d'aluminium, aciers,...

    Objectifs principaux

    L'équipe MSR travaille sur les évolutions de microstructure induites par la mise en forme des matériaux métalliques par voie thermomécanique, à l'état solide. Elle a pour objectifs :

    • la description, à l'échelle mésoscopique, des mécanismes physiques actifs et de leur cinétique en fonction des paramètres thermomécaniques,
    • la formulation de modèles physiques décrivant la déformation plastique, la recristallisation, la croissance de grains, les transformations de phases et leurs couplages,
    • l'implémentation de ces modèles dans des outils de simulation d'évolutions microstructurales prédictifs. Ce domaine implique le développement de nouvelles méthodes numériques (calcul haute performance en métallurgie computationnelle, outils de maillage/remaillage, description de type front-tracking et front capturing) pour la réalisation de simulations haute-fidélité mais aussi le développement de stratégies multi-échelles et le développement de modèles de substitution basés sur des stratégies d'apprentissage automatique.

    L'originalité de la démarche développée réside dans la conjugaison de compétences et d'approches complémentaires : métallurgie physique expérimentale, métallurgie mécanique, modélisation et simulation numérique, pour aborder des problématiques complexes par nature car proches de cas industriels concrets. Les travaux de l'équipe recouvrent également des développements méthodologiques amont, numériques et expérimentaux.  Une véritable synergie émane du dialogue permanent et étroit entre ces différentes sensibilités.
    L'équipe assure également la gestion et le développement de parcs expérimentaux : essais thermomécaniques et traitement thermique des matériaux métalliques, métallographie et microscopie électronique.

    Axes de recherche

    • Développements d'outils expérimentaux et méthodes d'analyse microstructurale quantitative
    • Identification des mécanismes et cinétiques métallurgiques
    • Modélisation et simulation en champ moyen
    • Modélisation et simulation en champ complet
    • Développement de méthodes numériques
    • Modélisation multiéchelles et développement de modèles de substitution basés sur des stratégies d'apprentissage automatique
    • Développement de codes et de librairies de calculs: cimlib, DIGIMU, Fitz, MPCP, ToRealMotion (TRM), MDivide, DYNAMIX

    Projets en cours

    Chaire industrielle ANR RealIMotion

    Programme de travail: 7 thèses sur la période 2022 – 2026.
    Titulaire de la chaire : Marc Bernacki, Adjoint : Nathalie Bozzolo.
    Objectif : Science des données, approfondissement des modèles physiques et machine learning au service de la métallurgie numérique industrielle.
    Co-financement ANR - ArcelorMittal, Framatome, Aperam, Aubert&Duval, CEA, Safran, Constellium. Transvalor partenaire non financeur.
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    Chaire industrielle ANR-Safran TOPAZE

    Programme de travail: 8 thèses sur la période 2020 – 2024.
    Titulaire : Nathalie Bozzolo, Adjoint : P. Villechaise (Institut Pprime).
    Objectif : Maîtriser les microstructures forgées pour optimiser la tenue en service des superalliages base nickel polycristallins dans les moteurs d'avions et d'hélicoptères de nouvelle génération : Focus sur les alliages 𝛾-𝛾'.
    En collaboration avec l'Institut Pprime pour la partie relation microstructure-propriétés.
    Co-financement ANR - Safran.
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    Chaire industrielle ANR DIGI𝝁

    Programme de travail: 6 thèses sur la période 2016 – 2020.
    Titulaire : Marc Bernacki, Adjoint : Nathalie Bozzolo.
    Objectif : Développement d'un logiciel (DIGIMU®) utilisable en milieu industriel pour la simulation en champ complet des phénomènes de recristallisation.
    Co-financement ANR - ArcelorMittal, Framatome, Ascometal, Aubert&Duval, CEA, Safran.
    Avec la participation complémentaire de Constellium, Timet et Transvalor.
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    Projet CONTiNUUM

    Programme de travail: 6 thèses sur la période 2019 – 2025.
    Responsable : Nathalie Bozzolo.
    Objectif :  Décrire les évolutions de microstructure et de texture cristallographique au cours des opérations de forgeage et leur impact sur les propriétés d'emploi d'alliages de titane pour applications aéronautiques à haute température.
    En collaboration avec l'Institut Pprime et Chimie ParisTech.
    Co-financement Airbus - Aubert&Duval - Safran - Timet.

    Chaire industrielle ANR-Safran OPALE

    Programme de travail: 12 thèses et 3 post-docs sur la période 2015 – 2020.
    Titulaire : Nathalie Bozzolo, Adjoint : P. Villechaise (Institut Pprime).
    Objectif : Optimisation des propriétés des superalliages base nickel polycristallins par le contrôle de la microstructure issue des opérations de forgeage.
    En collaboration avec l'Institut Pprime pour la partie relation microstructure-propriétés.
    Co-financement ANR - Safran.
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    Equipements

    • Microscope double faisceau (électronique et ionique) équipé de systèmes d'analyses EDS et EBSD pour l'analyse des microstructures en trois dimensions. Une chambre de traitements thermiques sous atmosphère contrôlée équipe également ce microscope.
    • Microscope électronique à balayage à haute résolution spatiale (FEG) équipé d'un système d'analyses couplées EDS et EBSD.
    • Traitements thermiques et thermomécaniques jusqu'à 1200°C avec possibilité de trempe eau.

    Faits marquants de l'équipe MSR :

    Trois chaires industrielles ANR et un laboratoire commun

    Une trentaine de chaires industrielles ANR, tous domaines confondus, ont été retenues pour financement par l'ANR depuis la création de ce dispositif en 2011. Trois relèvent du secteur de la métallurgie et sont portées par l'équipe MSR du CEMEF: OPALE, DIGIMU et TOPAZE, retenues respectivement à l'issue des appels à projets 2014, 2016 et 2019. Fin 2019 est créé le laboratoire commun OPALE pour pérenniser le mode de fonctionnement entre les différents acteurs de cette chaire.

    Suivi des évolutions de microstructure lors de traitements thermiques in-situ réalisés à l'aide d'une platine chauffante in-situ

    Cartographies d'orientations obtenues par EBSD à l'issue de traitements thermiques successifs effectués sur un alliage d'aluminium. Ces essais ont été menés dans le cadre des travaux de thèse de Saoussen OUHIBA, doctorante dans l'équipe MSR.

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    Simulation numérique 3D en champ complet des évolutions de microstructure

    Croissance de grains au cours d'un traitement thermique sur un superalliage à base nickel (Inconel 718) en présence de particules de seconde phase. Cette simulation est issue des travaux de thèse de Benjamin Sholtes, ancien doctorant de l'équipe MSR (2014-2017).

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    Première modélisation de la croissance des grains grâce à une stratégie d'apprentissage automatique

    Traitement thermique Inco718 en condition subsolvus:  les 36 premières minutes sont l'entrée du modèle de substitution, les 24 minutes suivantes sont entièrement et correctement prédites par le modèle entraîné en quelques secondes (côté droit à comparer à la solution exacte présentée au côté gauche), Thèse de P. Tep, chaire industrielle ANR RealIMotion 2024.

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    Ma thèse porte sur l'étude d'un superalliage base-nickel utilisé pour la fabrication de disques de turbine produite par le groupe SAFRAN. Je reproduis expérimentalement les conditions de mise en forme de ces disques pour comprendre les évolutions microstructurales associées.

    Théo HUYGHE, doctorant dans l'équipe MSR

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    Relations académiques :

    • Carnegie Mellon University - Pittsburgh, USA
    • Chimie ParisTech - Paris, France
    • CINaM - Marseille, France
    • CONICET - Rosario, Argentine
    • EPFL - Neuchâtel, Suisse
    • Institut Pprime - Poitiers, France
    • Max Plank Institute - Düsseldorf, Allemagne

    Relations industrielles :

    • Airbus
    • ArcelorMittal
    • Ascometal
    • Aubert&Duval
    • CEA
    • Constellium
    • Framatome
    • Timet
    • Safran
    • VDM Metals International

    Mots-clés de l'équipe MSR :

    Métallurgie physique, mécanique et numérique

    Grandes déformations, Chemins thermomécaniques complexes

    Recristallisation, Croissance de grains, Précipitation, Transformation de phases

    Analyse expérimentale, Calcul haute performance en métallurgie compulsionnelle, outils de maillage et remaillage, modélisation mutliéchelles, approches de type front-tracking (vertex, CA, MC) et de type front-capturing (level-set, multichamp de phase), modèles de substitution basés sur une stratégie d'apprentissage automatique

    Microscopie électronique, EBSD

    Microstructures 2D/3D

    Superalliages, Alliages de titane


    Thèses en cours

    SPÉCIALITÉ DOCTORALE MATHNUM

    • Tianchi LI : Nouvelles perspectives dans la description de la mobilité réduite pour la modélisation de la croissance des grains et de la recristallisation à l’échelle polycristalline. Promotion 2023
    • Pungponghavoan TEP : IA et jumeau numérique en métallurgie – Modélisation de suivi de réseaux de joints de grains en évolution. Promotion 2023
    • Eliane YOUNES : Intelligence Artificielle et jumeaux numériques en métallurgie – Modélisation de suivi frontal des réseaux d’interface en évolution. Promotion 2023 + équipe CFL
    • Adrien TALATIZI : Simulation de propagation d’ondes dans des milieux hautement hétérogènes. Promotion 2021

    SPÉCIALITÉ DOCTORALE MNM

    • Lahcen ABARAY : Modélisation de la recristallisation dynamique continue (CDRX). Promotion 2023
    • Tianchi LI : Nouvelles perspectives dans la description de la mobilité réduite pour la modélisation de la croissance des grains et de la recristallisation à l’échelle polycristalline. Promotion 2023
    • Fernando PASCUAL GOCE : Evolution de la microstructure au cours du forgeage de l’alliage VDM® 780 : modélisation de champ moyen de la recristallisation subsolvus et effet de la composition chimique sur la cinétique. Promotion 2023
    • Ladji Bafétégué OUATTARA : Circuit bio-sourcé imprimé par des nouvelles méthodes d’électro-impression. Promotion 2023
    • Corentin STRADY : Mécanismes et cinétique de croissance de grains dans un superalliage base nickel élaboré par métallurgie des poudres pour disques de turbines de nouvelle génération. Promotion 2023
    • Pauline HAHN : Evolutions métallurgiques des alliages Zr-Nb lors des procédés de déformation à chaud : compréhension des mécanismes et simulations. Promotion 2022
    • Théo HUYGHE : Impact du laminage circulaire sur la microstructure des disques de turbines de nouvelle génération. Promotion 2022
    • Federico ORLACCHIO : Prédiction des évolutions de microstructure des alliages gamma/gamma’ au cours de la mise en forme de disques de turbine de moteurs de nouvelle génération. Promotion 2021
    • Antonio POTENCIANO CARPINTERO : Croissance de grains hétérogène dans le superalliage base fer 286. Promotion 2021
    • Franco JAIME : Microstructure of nickel-based superalloys: Experimental analysis and 3D numerical simulation. Promotion 2020