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Séminaire PSL - Écosystèmes de médias I Session 4 Partie 4

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Contraintes Résiduelles et Recristallisation dans les Alliages Monocristallins Base Nickel.

Contraintes Résiduelles et Recristallisation dans les Alliages Monocristallins Base Nickel.

'Contraintes Résiduelles et Recristallisation dans les Alliages Monocristallins 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

BELLET Michel

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-3969
Mots-clés

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

Microstructures, Modelling, additive Manufacturing, Alloy bases nickel

Résumé

Au cours de la solidification dirigée d'alliages base nickel pour applications monocristallines la température passe sous le liquidus, permettant d'abord une cristallisation sous la forme d'une structure dendritique de phase ?. Le refroidissement se poursuit sous la température eutectique, créant une structure de solidification eutectique ?/?' interdendritique. En passant ensuite sous le solvus ?/?' de l'alliage, une précipitation ?' intradendritique prend finalement place. En fin de refroidissement la structure est ainsi composée d'une matrice ? d'enveloppe dendritique constellée de précipités ?' intradendritiques et décorée par des poches eutectiques ?/?' interdendritiques. Les pièces solidifiées sont donc composites et les cinétiques de formation des différentes structures et phases sont principalement fonction de l'histoire thermique du procédé de fonderie. A cette histoire thermique s'ajoute la mise en place de contraintes et déformations formées du fait des interactions mécaniques entre l'alliage métallique solidifié, le moule de fonderie et les noyaux internes des géométries coulées. Le programme d'étude de la formation des grains recristallisés proposé ci-dessous est basé sur la caractérisation des contraintes résiduelles dans des éprouvettes d'un alliage base nickel pour applications monocristallines auxquelles sont appliqués des chemins thermomécaniques pour simuler les conséquences du procédé de fonderie.

Devra être proposée une loi de comportement pour l'alliage à l'état monocristallin valide sur des chemins thermomécaniques correspondant au refroidissement des aubes lors du procédé de coulée, mais aussi au traitement thermique des aubes suite à la coulée. Compte tenu de l'intervalle de température visé, très étendu, et de la nature du matériau, le modèle pourrait être anisotrope et élasto-viscoplastique. On s'attachera à l'identification de ses paramètres non encore connus (principalement les paramètres de plasticité/viscoplasticité en anisotrope). Pour ce faire, l'équipement DEDIMET du CEMEF, permettant des essais de traction/relaxation à haute température, pourra être utilisé. Les éprouvettes monocristallines, présentant diverses orientations du cristal par rapport à la direction de traction, seront fournies par SAFRAN Tech. Les essais seront effectués dans des conditions isothermes et pour plusieurs températures, supérieures à celles de service des pièces monocristallines, dans une gamme au voisinage du solvus ?/?' de l'alliage. L'analyse devra intégrer l'évolution de la fraction des phases ? et ?' qui pourra être issue de bases de données thermodynamiques. L'identification automatique des paramètres de la loi de comportement sera basée sur des simulations directes des essais avec le logiciel FORGE® et sur une procédure d'identification automatique qui sera soit celle contenue dans le package FORGE®, soit celle offerte par le logiciel MOOPI développé au CEMEF. L'extension à des sollicitations thermo-mécaniques non isothermes sera étudiée, tant expérimentalement que numériquement.

Les traitements thermiques standards des éprouvettes auront pour objectif de rechercher les conditions qui prévalent à la formation des grains recristallisés. Ils seront réalisés dans un four dont l'évolution de la température suivra l'histoire du traitement industriel.

La caractérisation des éprouvettes avant/après traitements thermiques sera conduite. Elle exploitera les techniques de microscopie à disposition au CEMEF (microscopie optique, microscopie électronique à balayage, indexation automatique de clichés de diffractions d'électrons rétrodiffusés) dans le but de rechercher des grains recristallisés. Elle mettra également en œuvre une analyse diffractométrique des contraintes par phase. La détermination des contraintes résiduelles/internes générées dans les phases ? et ?' sera ainsi accessible. La méthode nécessitera la mesure préalable de figures de pôles, permettant aussi d'estimer la qualité cristalline des phases à travers l'élargissement des taches de diffraction suivant différentes directions cristallines. En complément avec les techniques de microscopie précitées, une première quantification de l'état du matériau sera ainsi établie, avant et après traitements thermiques, donnant lieu à une évaluation des critères d'apparition des grains recristallisés et à leur possible amélioration.

Il est également envisagé l'observation directe de la recristallisation par une redistribution des contraintes résiduelles/internes, une évolution marquée (à la baisse) de l'élargissement des raies de diffraction (traduisant la quantité des défauts cristallins) ainsi que la disparition du signal diffractant initial reliée à la croissance d'un nouveau grain d'orientation cristallographique différente.

La conception d'une éprouvette technologique sera proposée, qui donnera lieu à une production chez SAFRAN Tech pour établissement du rôle des paramètres procédé. On entend par éprouvette technologique une pièce de forme simple, tout en étant représentative de la problématique étudiée. Les traitements thermiques et l'évaluation des éprouvettes technologiques seront effectués à SAFRAN Tech pour une recherche des grains recristallisés. Avant/après traitement thermique une analyse diffractométrique sera conduite à MINES ParisTech CEMEF. Il s'agira de conduire les analyses de texture, contraintes et élargissements de raies citées ci-dessus pour les différents designs choisis et ceci dans différentes zones accessibles (surfaces planes ou convexes).

La loi de comportement anisotrope de l'alliage monocristallin base nickel identifiée, ainsi que le critère d'apparition des grains recristallisés, seront implantés dans le logiciel THERCAST®. Des comparaisons auront lieu avec les prédictions d'un calcul utilisant le logiciel ProCast. La synthèse des analyses des éprouvettes DEDIMET et technologiques sera menée pour l'évaluation du critère d'apparition de grains recristallisés.

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Contexte

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Encadrement

Autres encadrants:
- CEMEF : Karim INAL
- SAFRAN Tech : Ngadia Taha NIANE et Virginie JAQUET

Profil candidat

Ingénieur ou équivalent, avec de bonnes notions de calcul scientifique et une formation mécanique et matériaux, sujet équilibré entre expérimental et modélisation

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Objectif

Le grain recristallisé apparaît après traitement thermique sur des pièces en superalliage base nickel produites par fonderie de précision. Il a pour origine l'histoire thermomécanique dans la grappe de coulée. Le présent projet vise à étudier les conditions d'apparition de ce défaut rédhibitoire pour des pièces monocristallines des moteurs d'avion.

Références

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Type financement

Convention CIFRE

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