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Fiche descriptive du sujet de thèse

[POURVU] - Caractérisation fine de l'état métallurgique et mécanique de superalliages base nickel réfractaires élaborés par L-PBF

[POURVU] - Caractérisation fine de l'état métallurgique et mécanique de superalliages base nickel réfractaires élaborés par L-PBF

[PROVIDED] - Fine-scale metallurgical and mechanical characterizations of non-weldable Ni-based superalloys elaborated by L-PBF

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

BERGER Marie-Hélène

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactSylvain DEPINOY
Date de validité

01/10/2021

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

Fabrication additive, Fissuration, Solidification, Précipitation, Microscopie électronique à transmission

Additive manufacturing, Cracking, Solidification, precipitation, transmission electron microscopy

Résumé

Certains superalliages base-nickel, dit non-soudables, sont susceptibles de se fissurer lors de leur élaboration en fabrication additive ou lors d'un post-traitement thermique. Cette thèse vise à étudier les facteurs microstructuraux à l'origine de ces phénomènes de fissuration.

Non weldable Ni-based superalloys are susceptible to cracking during their elaboration by additive manufacturing (solidification cracking) or during subsequent heat treatments (strain-age cracking). This proposed study aims at investigating the relationship between the microstructure and these cracking phenomena.

Contexte

L'industrie aéronautique s'implique aujourd'hui fortement dans le développement des technologies de fabrication additive. Les possibilités offertes par ces procédés, notamment le procédé Laser Powder Bed Fusion (LPBF - Fusion Laser sur Lit de Poudre) en termes de conception, d'adaptation des propriétés des matériaux selon les sollicitations envisagées par zones de pièces les rendent capables d'accompagner la mise en place de nouvelles typologies de pièces et technologies pour les moteurs futurs. Le groupe Safran souhaite utiliser le procédé LPBF pour la fabrication de pièces en superalliages base nickel à durcissement structural, adaptés aux parties chaudes des moteurs. Une grande partie de ces alliages reste cependant inéligible à une fabrication par LPBF, du fait de leur caractère difficilement soudable. En effet, les pièces tendent à fissurer au cours de la fabrication, en raison des gradients thermiques importants au passage du faisceau laser. La fissuration peut soit intervenir lors de la solidification du matériau, soit lors du traitement thermique ultérieur des pièces. Une première collaboration entre Mines ParisTech et Safran a permis d'identifier des pistes prometteuses pour résoudre cette problématique [1].

Le projet NILS (2021-2025) de collaboration entre Mines ParisTech et Safran vise aujourd'hui à approfondir ces pistes. Le développement d'outils thermiques et métallurgiques innovants permettra une meilleure compréhension de la fissuration et sa totale suppression. La stratégie adoptée par ce projet est celle d'une synergie forte entre des moyens expérimentaux avancés et une simulation multiphysique, grâce à un ensemble de 4 thèses en interaction forte.
Mines ParisTech a développé des compétences en fabrication additive dans ses deux centres de recherche : le Centre des Matériaux d’Evry (CMAT) et le Centre de Mise en forme des Matériaux (CEMEF) à Sophia Antipolis. Plus précisément pour le procédé objet de l'étude, le CMAT dispose de machines LPBF pouvant être modifiées et instrumentées, tandis que le CEMEF a développé une simulation numérique du procédé pouvant fonctionner soit à l'échelle des cordons élémentaires résultant de la fusion du lit de poudre, soit à l'échelle de la pièce. Ainsi, le projet NILS se structure autour de 4 thèses en interaction forte :

• Thèse 1 : développement expérimental d'un nouveau procédé LPBF, en agissant sur le mode de chauffage, avec fabrication de pièces/éprouvettes et d'un démonstrateur utilisés pour la caractérisation métallurgique à différentes échelles, et pour la validation des simulations numériques.
• Thèse 2 : simulation numérique du procédé à l'échelle des cordons, en développant les modèles de prédiction des microstructures spécifiques obtenues en solidification ultra rapide (phases formées, structure cristalline). Prédiction du risque de fissuration pendant la fabrication LPBF.
• Thèse 3 : simulation numérique du procédé à l'échelle de la pièce, en développant les modèles de précipitation des phases durcissantes, cette précipitation dépendant du cyclage thermique caractéristique du LPBF et du mode de chauffage expérimenté et optimisé en Thèse 1. Prédiction du risque de fissuration lors du traitement thermique.
• Thèse 4 : caractérisation métallurgique fine des pièces/éprouvettes obtenues dans la Thèse 1. Analyse de la microstructure et des compositions chimiques à différentes échelles pour comprendre l'impact des paramètres procédé sur l'apparition de fissures, en L-PBF et au traitement thermique ultérieur.

Encadrement

Directeur de thèse : Marie-Hélène BERGER - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Sylvain DEPINOY - Centre des Matériaux
Co-encadrant : Christophe COLIN - Centre des Matériaux

Profil candidat

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.


Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Le candidat devra être titulaire d'un diplôme Bac+5 ou équivalent en Sciences des Matériaux, devra faire preuve d'un goût prononcé pour la recherche expérimentale orientées vers les résultats. De bonnes connaissances en métallurgie des alliages base-nickels et en solidification des métaux, ainsi qu'une première expérience en caractérisation microstructurale serait appréciées.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):
The candidate should have a strong appetance for experimental result-based research. Good knowledge of nickel based superalloys metallurgy and solidification mechanisms, as well as a first experience in microstructural characterizations, would be appreciated.



Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant’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

Concernant la fissuration à la solidification :
- Détermination de l'influence de la composition chimique et de la thermique du bain de fusion (paramètres procédé) sur les phénomènes de microségrégations à la solidification.
- Proposition de protocoles pour déterminer l'influence des phénomènes de microségrégations sur la fissuration à la solidification (éléments majeurs et mineurs).
- Comparaison et validation expérimentale des résultats numériques obtenus dans la thèse 2.
- Optimisation des conditions du procédé et élaboration d'un démonstrateur minimisant la densité de fissures liée à la solidification.
Concernant la fissuration au traitement thermique :
- Détermination de la contribution relative des différents paramètres microstructuraux à la sensibilité à la fissuration.
- Optimisation du traitement thermique et élaboration d'un démonstrateur minimisant la fissuration au traitement thermique.

Objectif

Des travaux antérieurs ont mis en évidence la nécessité d'une caractérisation métallurgique fine pour améliorer l'aptitude à la mise en forme par LPBF des superalliages base nickel difficilement soudables. La thèse (Thèse 4) vise à développer des protocoles d'étude pour approfondir la compréhension des relations entre paramètres microstructuraux (aux échelles micro et nano) et la sensibilité à la fissuration, que ce soit à la solidification ou au traitement thermique. Ces protocoles doivent permettre d'optimiser le procédé LPBF et le post-traitement thermique en vue d'une mise en forme sans défaut. Concernant la fissuration à la solidification, cette compréhension passe par l'étude expérimentale des phénomènes de microségrégations chimiques et de la formation de phases hors équilibre lors de la solidification, et notamment leur dépendance aux paramètres de fabrication. Cette caractérisation doit être faite à une échelle fine, adaptée aux microstructures issues de la solidification très rapide à l'œuvre dans le procédé LPBF. Elle permettra de mieux comprendre l'influence des éléments chimiques sur la sensibilité aux défauts. Pour la fissuration au traitement thermique, une caractérisation judicieuse de l'évolution de la microstructure (état de précipitation, densité de dislocations, contraintes résiduelles) lors du post-traitement thermique devra permettre d'élucider certains couplages complexes insuffisamment compris à ce jour.

Références

[1] Grange, D. (2020). « Fusion laser sélective de pièces en INCONEL 738 et RENÉ 77 : Vers une maîtrise de la fissuration au cours du procédé pour les superalliages à haute fraction de précipités γ^' », Thèse de doctorat, MINES ParisTech, 03 Novembre 2020
[2] Dépinoy S., Sennour, M., Ferhat, L., Colin, C., “Experimental determination of solute redistribution behavior during solidification of additively manufactured 316L” (2021), Scripta Materialia, Volume 194, 113663.
[3] Després A., Mayer C., Veron M., Rauch E.F., Bugnet M., Blandin J.-J., Renou G., Tassin C., Donnadieu P., Martin G., “On the variety and formation sequence of second-phase particles in nickel-based superalloys fabricated by laser powder bed fusion” (2021), Materialia, Volume 15, 101037.
[4] Chauvet E., Kontis P., Jägle E., Gault B., Raabe D., Tassin C., Blandin J.-J., Dendievel R., Vayre B., Abed S., Martin G., “Hot cracking mechanism affecting a non-weldable Ni-based superalloy produced by selective electron Beam Melting” (2018), Acta Materialia, Volume 142, Pages 82-94.

Type financement

Convention CIFRE

Document PDF

https://www.adum.fr/script/downloadfile.pl?type=78&ID=36619

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Fiche descriptive du sujet de thèse - MINES ParisTech
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Le 10 décembre 2021 Soutenance de thèse de Antoine DÉBARRE

Le 9 décembre 2021 Rencontre avec Aurélie Jean

Du 20 juillet 2021 au 3 janvier 2022 Rentrée 2021 - 2022

Le 10 décembre 2021 Soutenance de thèse de Antoine DÉBARRE

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