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Analyse de la nocivité des défauts de fabrication additive par LBM sur la propagation de fissure de fatigue

Analyse de la nocivité des défauts de fabrication additive par LBM sur la propagation de fissure de fatigue

Influence of defects in Fatigue crack growth for materials processed by Laser Bed Melting,

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

MAUREL Vincent

Co-directeur de thèse

MISSOUM-BENZIANE Djamel

Unité de recherche

Centre des Matériaux

Contactvincent maurel
Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Fabrication additive, défauts, propagation de fissure, fatigue, tomographie, modélisation

Additive Manufacturing, defects, fatigue crack growth, computed tomography, modeling

Résumé

La fabrication additive (FA), et notamment la fabrication par lit de poudre (Laser Bed Melting / LBM) est un procédé mature pour certain matériaux, dont certains superalliages base Ni faiblement chargés, matériaux cibles pour l'industrie aéronautique. Malgré cette maturité, fruit de paramètres procédés optimisés, il subsiste des défauts tels que des hétérogénéités microstructurales, que l'on peut homogénéiser par des traitements thermiques, et une porosité, qu'un traitement de type pression hydrostatique à chaud (HIP) peut réduire efficacement. Or ces étapes sont lourdes et couteuses. Il apparait donc comme stratégique pour la compétitivité et la fiabilisation des pièces obtenues par FA de caractériser et modéliser les propriétés de ces pièces en fonction de la population de défauts résiduels à chaque étape du procédé.

L'enjeu de cette étude est donc de comprendre comment une pièce obtenue par LBM, pour des conditions optimisées de procédé, peut 'vivre' avec une population de défauts résiduels. Ces défauts sont de plusieurs natures, (retassures, pores gazeux, infondus, fissuration à chaud, défaut de recouvrement...) et sont le plus souvent reliés à différents paramètres procédés plus ou moins inter corrélés. Les caractérisations de propriétés mécaniques pour des pièces FA sont le plus souvent abordées sous l'angle seul des propriétés de traction, alors que pour de nombreuses applications, c'est la fatigue qui permettra de dimensionner une pièce. Enfin, il est établi qu'un réseau de défaut, en particulier un réseau de pores, est critique en fatigue, en particulier pour l'amorçage en fatigue à grand nombre de cycles (HCF) ou la propagation de fissure en régime oligocyclique (LCF).
Il peut être délicat de déterminer clairement des mécanismes d'amorçage pour une grande population de défauts. Les essais de propagation de fissure permettent alors dans de nombreux cas d'établir clairement le rôle des hétérogénéités de microstructure et notamment des pores sur les propriétés en fatigue, par exemple pour des défauts de fonderie [Dezecot 2017].
Enfin, d'une part parce qu'il s'agit d'un matériau aux très nombreuses applications, et d'autre part car sa fabrication, et les paramètres optimaux sont connus par les équipes du Centre des Matériaux, le matériau visé sera le superalliage base Ni INCO718.
L'objet de la thèse est donc de déterminer à partir d'une microstructure optimisée par LBM, la criticité d'une distribution résiduelle de pores sur la propagation de fissures de fatigue.

/

Contexte

Le projet de recherche s'articule autour de trois axes essentiels:
Générer une microstructure contrôlée :
Cette étape vise pour le matériau INCO718 à réaliser des éprouvettes par LBM qui seront testées mécaniquement. La pertinence de l'étude requiert d'atteindre dans la zone utile de l'éprouvette une microstructure contrôlée en termes de natures et de distributions de défauts. Les étapes sont alors:
- génération d'un état optimisé, cet état servira d'état de référence d'un point de vue de la microstructure;
- génération d'états dégradés, pour générer des défauts de différentes natures ;
- génération de défauts distribués en paramètres morphologique, taille et espacement.
Le contrôle in situ par mesure de champs thermiques en cours de dépôt permettra en outre de connaitre le lien ente signature thermique in situ et typologie de défaut.
Comprendre le rôle du réseau de défauts, principalement pour les pores :
Pour les différentes populations de défauts, pour l'état optimisé ou pour les états dégradés, on voudra établir le rôle du réseau de défaut sur la propagation de fissure en fatigue. On privilégiera des essais dans le domaine polycyclique, pour lequel les lois de Paris permettent d'établir un comportement de référence en propagation de fissure de fatigue, et ainsi d'estimer si l'écart au comportement de Paris est significatif pour des microstructures dégradées.
- réalisation d'essais de propagation de fissure pour différentes populations de défauts, on pourra notamment tester le rôle de l'orientation des échantillons par rapport à la direction de lasage afin de déterminer une éventuelle anisotropie d'endommagement; ces essais sont instrumentés
-caractérisation tridimensionnelle par tomographie X du réseau initial de pores et des interactions de la fissure finale avec le réseau de pores. Cette étape sera réalisée ex situ pour pouvoir être systématisée à l'ensemble des microstructures que l'on cherchera à qualifier.
Prévoir le rôle des hétérogénéités sur les propriétés d'usage
Cette dernière étape est la dernière clé du projet : il s'agit ici de proposer des méthodes de calcul permettant de rendre compte du rôle des hétérogénéités. Afin de comprendre les interactions fissures/défaut (par exemple pores), on pourra avoir recours à un maillage explicite de celles-ci. Or ce type d'approche est pour l'heure inenvisageable pour des calculs de pièces industrielles. On devra donc recourir à des méthodes simplifiées ou à des outils de réduction de modèles pour réaliser :
- modélisation par éléments finis des différentes populations de pores;
- simulation de la propagation de fissure et des interactions pores/fissures;
- proposition d'un modèle macroscopique de fissuration tenant compte de la population de défauts

Encadrement

Vincent MAUREL Directeur de thèse
Djamel MISSOUM-BENZIANE Co-encadrant

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• Une attestation de niveau d'anglais

Applicants should supply the following :
a detailed resume
a covering letter explaining the applicantÂ's motivation for the position
detailed exam results
two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
to provide an appreciation of the candidate
Your notes of M1, M2
level of English equivalent TOEIC

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Résultat attendu

Pour parfaire la connaissance du matériau INCO718 obtenu par LBM, on établira une bibliothèque de défauts, en morphologie et distribution des paramètres morphologiques. Un modèle macroscopique de propagation de fissure sera proposé, tenant compte de l'influence de la nature et de la distribution de défauts sur la vitesse de propagation de fissure.
Le résultat majeur attendu est de proposer une bibliothèque de défauts interprétée en termes de criticité des défauts vis-à-vis de la propagation de fissures de fatigue.

Références

: [Carter 2014] Carter, L. N., Martin, C., Withers, P. J., & Attallah, M. M. (2014). The influence of the laser scan strategy on grain structure and cracking behaviour in SLM powder-bed fabricated nickel superalloy. Journal of Alloys and Compounds, 615, 338-347.
[Dezecot 2017] Dezecot, S., Maurel, V., Buffiere, J. Y., Szmytka, F., & Koster, A. (2017). 3D characterization and modeling of low cycle fatigue damage mechanisms at high temperature in a cast aluminum alloy. Acta Materialia, 123, 24-34.
[Jia 2014] Jia, Q., & Gu, D. (2014). Selective laser melting additive manufacturing of Inconel 718 superalloy parts: Densification, microstructure and properties. Journal of Alloys and Compounds, 585, 713-721.
[Ryckelynck 2010] Ryckelynck, D., & Benziane, D. M. (2010). Multi-level a priori hyper-reduction of mechanical models involving internal variables. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 199(17-20), 1134-1142.
[Vilaro 2012] Vilaro, T., Colin, C., Bartout, J. D., Nazé, L., & Sennour, M. (2012). Microstructural and mechanical approaches of the selective laser melting process applied to a nickel-base superalloy. Materials Science and Engineering: A, 534, 446-451.

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

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