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Modélisation des microstructures (µS) générées en fabrication additive (AM) par fusion laser sélective (SLM) d'un alliage base nickel

Modélisation des microstructures (µS) générées en fabrication additive (AM) par fusion laser sélective (SLM) d'un alliage base nickel

'Modélisation des microstructures (?S) générées en fabrication additive (AM) par fusion laser sélective (SLM) d'un alliage base nickel'

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique numérique et Matériaux

Ecole doctorale

SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées

Directeur de thèse

GANDIN Charles-André

Co-directeur de thèse

GUILLEMOT Gildas

Unité de recherche

Centre de Mise en Forme des Matériaux

Contact
Site Webhttp://www.cemef.mines-paristech.fr/sections/formations/doctorats/pour-postuler/these-cemef-6461
Mots-clés

Microstructures, Modélisation, Fabrication additive, Fusion laser sélective, Alliage base nickel

Microstructures, Modelling, Alloy bases nickel

Résumé

La librairie de calcul du CEMEF basée sur la méthode des éléments finis (FE) sera utilisée pour la modélisation du procédé AM-SLM [1]. Elle sera couplée à la modélisation de la structure de grains basée sur la méthode des automates cellulaires (CA) [2]. Les cycles thermiques dus aux passages successifs du laser serviront d'entrée à la prédiction de l'évolution de la microstructure de la solution solide, basée sur l'exploitation de la librairie PhysalurgY [3].

La simulation du procédé AM-SLM, actuellement réalisée pour des céramiques et limitée à quelques cordons rectilignes, sera adaptée pour des alliages métalliques et des drapages multicouches. Le travail portera principalement sur une adaptation de la source de chaleur décrivant l'interaction de l'alliage métallique avec le laser pour prédire le champ de température (Figure 1) et la réalisation de calculs multi-cordons multicouches à stratégies de balayage variables. Les paramètres de la source de chaleur seront identifiés par des essais et mesures effectués sur une machine AM-SLM instrumentée. Une caméra thermique dont les déplacements sont associés à la source de chaleur enregistrera le champ de température qui pourra ainsi être comparé à la simulation. Les profils dans des coupes transverses et longitudinales seront extraits de cordons simples et multiples, correspondant respectivement à une unique couche déposée sur substrat et à un ensemble de couches successives. Ces données seront comparées aux simulations du procédé AM-SLM.

Par ailleurs, une adaptation du modèle automate cellulaire initialement développé pour des procédés de soudage à l'arc (Figure 2) sera également nécessaire pour le couplage avec la simulation du procédé AM-SLM. La structure de grains simulée sera comparée à des mesures EBSD sur les mêmes expériences que celles ayant données lieu à la calibration de la thermique. En plus de la structure de grains provenant de la croissance dendritique de la phase de solidification primaire, les phases intermétalliques formées depuis l'état liquide seront prédites. La composition de la solution solide primaire étant connue, une simulation de la précipitation sera conduite en suivant l'histoire thermique locale. Cela ne sera pas mené sur tout le domaine de simulation utilisé pour prédire la structure de grains mais en seulement quelques points choisis pour leur représentativité. La prédiction des phases intermétalliques formées depuis l'état liquide et de l'état précipité sera comparée aux données expérimentales.

Le matériau considéré sera un alliage base nickel. Afin d'être au plus proche de la description thermodynamique, la librairie PhysalurgY sera utilisée pour tabuler les propriétés et réaliser les couplages avec les cinétiques de transformations de phases. Suivant les résultats expérimentaux, il pourra être nécessaire de développer le concept de zone couplée et la modélisation des phénomènes de solidification hors équilibres afin de prédire la morphologie et/ou les microstructures qui rentreraient en compétition.

Toutes les données expérimentales décrites ci-dessus – expériences, instrumentations, caractérisation des cordons et drapages, ainsi que la caractérisation des microstructures associées – seront produites dans le cadre d'un second projet de thèse conduit par un doctorant à recruter qui sera basé au Centre des Matériaux de MINES ParisTech. Ce second projet exploitera donc les machines et moyens de caractérisation du Centre des Matériaux de MINES ParisTech en attendant la possibilité d'un transfert sur les machines AFH en cours d'acquisition.

...

Contexte

La fabrication additive (AM) par fusion laser sélective (SLM) est d'un grand intérêt compte tenu de sa capacité à réaliser des géométries complexes et non traditionnelles. Cependant, les microstructures générées par ce procédé peuvent fortement s'écarter de leurs contreparties élaborées de manière conventionnelle. L'introduction d'une source de chaleur spatialement et temporellement mobile mène au développement d'une hétérogénéité microstructurale significative: mélange de grains colonnaires (allongés) et équiaxes (isotropes), ayant souvent une périodicité visible correspondant à la hauteur de la couche, à la largeur de la ligne et au motif de balayage utilisé. A ces hétérogénéités microstructurales sont associées des textures cristallographiques qui influencent le comportement mécanique des pièces. Le choix des trajectoires, mais aussi de la hauteur de poudre à fusionner, de la puissance et de la vitesse du laser définissent la stratégie de construction d'une pièce. Le contrôle de la source de chaleur est ainsi primordial pour piloter la structure de grains solidifiée, et obtenir des microstructures optimales pour les applications visées.

Encadrement

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Profil candidat

Ingénieur ou équivalent, avec de bonnes notions de calcul scientifique et une formation mécanique et matériaux

Engineer or equivalent, with good notions of scientific calculation and a mechanical and materials training

Objectif

Modéliser les structures de solidification granulaire, la nature et la quantité des phases solidifiées, ainsi que les transformations de phase subséquentes se produisant lors du procédé AM-SLM appliqué à un alliage base nickel.

Références

[1] Q. Chen, G. Guillemot, Ch.-A. Gandin, M. Bellet, Additive Manufacturing (2018) in press.
[2] S. Chen, G. Guillemot, Ch.-A. Gandin, Acta Materialia 115 (2016) 448.
[3] physalurgy.cemef.mines-paristech.fr

Type financement

Convention CIFRE

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=21687

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