Maîtrise du champ thermique du bain de fusion et de son environnement proche lors de la fusion laser sélective de lits de poudre pour une métallurgie cible d'un superalliage base nickel.

Résumé de la thèse en français

Les procédés de fabrication additive métallique sont de plus en plus utilisés par de nombreux secteurs industriels. Le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) est le fer de lance de ces procédés spéciaux car il permet la production de pièces de hautes complexités géométriques en diminuant les coûts de fabrication et les délais d'approvisionnement. Toutefois, de nombreux aspects de ce procédé sont encore mal compris et maitrisés. La génération de microstructures « sur mesure » dans des conditions sévères de gradients thermiques et de vitesses de solidification fait partie de ces phénomènes encore mal connus et trop peu étudiés. Les microstructures issues du procédé L-PBF sont souvent texturées dans la direction de construction, induisant une anisotropie des propriétés mécaniques. Ces microstructures étant plus subies que générées volontairement, les travaux de thèse ont alors pour objectif de comprendre, contrôler et modifier à dessein la microstructure de solidification de l'Inconel 718. Afin d'atteindre cet objectif, une étude bibliographique a été menée pour comprendre les différents principes théoriques de la solidification hors d'équilibre et définir les leviers expérimentaux envisageables pour modifier la microstructure. Les paramètres opératoires de fusion, les stratégies de construction et de supportage, les épaisseurs de parois et complexités géométriques locaux d'une pièce, sa taille sont autant de variables qui influent sur la microstructure. La thermique analytique, la thermique expérimentale coaxiale et l'analyse EBSD sont au cœur de ces travaux de thèse. De larges campagnes d'essais ont été réalisées reprenant un à un les leviers établis à partir de fonctions de mérite jusqu'à atteindre l'objectif final de la thèse, à savoir la construction d'une aube de turbine comprenant deux microstructures distinctes et optimisées pour son fonctionnement en service.

Résumé de la thèse en anglais

Metal additive manufacturing processes are increasingly used in many industries. The Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) process is at the forefront of these special processes as it allows the production of parts with high geometric complexity while reducing manufacturing costs and lead times. However, many aspects of this process are still poorly understood and mastered. The generation of "tailor-made" microstructures under severe conditions of thermal gradients and solidification rates is one of these phenomena that is still poorly understood and insufficiently studied. The microstructures resulting from the L-PBF process are often textured in the direction of construction, inducing anisotropy in the mechanical properties. As these microstructures are more undergone than voluntarily generated, the aim of this thesis is to understand, control and modify the solidification microstructure of Inconel 718. In order to achieve this objective, a bibliographical study was carried out to understand the different theoretical principles of non-equilibrium solidification and to define the experimental levers that could be used to modify the microstructure. The operating parameters of melting, the construction and support strategies, the local wall thicknesses and geometric complexities of a part, and its size are all variables that influence the microstructure. Analytical thermal, coaxial experimental thermal and EBSD analysis are at the heart of this thesis work. Extensive test campaigns were carried out taking up one by one the levers established from merit functions until the final objective of the thesis was reached, namely the construction of a turbine blade comprising two distinct and optimized microstructures for its operation in service

 

 

Date de soutenance : jeudi 20 octobre 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : École des Mines de Paris 60 boulevard Saint-Michel 75272 Paris – Salle BIBLIO
Directeur de thèse : Vincent GUIPONT
Co-encadrant : Christophe COLIN

En savoir plus

Évolutions microstructurales de dépôts épais d'acier inoxydable austénitique 316L obtenus par projection dynamique par gaz froid ("cold spray") sous l'effet d'un traitement thermique ; conséquences sur les propriétés d'usage

Résumé de la thèse en français

Dans les industries nucléaire et navale, à cause de sévères sollicitations en service, certains composants sont sujets à dégradation. La solution de la réparation sur site s'impose parfois comme étant la plus adaptée, notamment dans le cas de composants complexes et difficilement remplaçables. Pour ce faire, l'utilisation de la projection dynamique par gaz froid, dite «cold spray», est particulièrement prometteuse car, étant un procédé à l'état solide, elle permet d'éviter la formation d'une zone affectée thermiquement. Cependant, l'impact successif des particules projetées sur le substrat à des vitesses supersoniques engendre une forte déformation des particules et un écrouissage sévère des zones impactées. Ceci génère des dépôts à la microstructure instable à l'état brut de projection. De plus, si une forte épaisseur de dépôts est visée, l'accumulation des contraintes résiduelles peut entraîner l'amorçage de fissures au sein du dépôt ou à son interface avec le substrat. Ce travail de thèse repose sur les traitements thermiques des dépôts cold spray d'acier 316L pour l'adaptation de la microstructure du dépôt aux propriétés d'emploi recherchées. Pour ce faire, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de ces traitements, plus particulièrement aux interfaces particule-particule, sièges de l'adhésion des dépôts et zones de concentration de la déformation. La thèse est articulée en trois parties: i) l'analyse microstructurale des dépôts à l'état brut de projection, ii) la mise au point d'un traitement thermique optimal en termes de microstructure et de l'application visée et iii) l'étude de son effet sur les propriétés des dépôts. La mise au point des traitements thermiques est passée par une étude des phénomènes de restauration et de recristallisation mis en jeu notamment par la mise en lumière du chemin de la recristallisation en trois temps, débutant dans les zones des particules en première ligne d'impact durant la projection puis se propageant au cœur des particules pour finalement atteindre l'ensemble du dépôt. L'approche de ces travaux a permis de mieux comprendre la compétition existante entre les différents mécanismes activés thermiquement et a mené à la sélection d'un traitement thermique à cycle court. Ce traitement, du fait de sa haute vitesse de chauffage et son court temps de maintien, court-circuite les effets néfastes des traitements plus lents (cavitation, évolution importante de phases indésirables) et entraîne l'obtention d'une microstructure recristallisée à grains fins. Par la suite, les propriétés mécaniques et de tenue à la corrosion des dépôts ainsi traités ont été étudiées. Il a ainsi été prouvé que ce traitement permettait une restauration considérable de la ductilité et de la résistance à la rupture brutale tout en préservant la résistance à la corrosion. Une solution de réparation de composants 316L par cold spray, reproductible et présentant les propriétés d'usage suffisantes pour l'application visée, a ainsi été identifiée.

Résumé de la thèse en anglais

In the nuclear and marine industries, some components are subjected to degradation, due to severe in-service conditions. In-site reparation appear to be a suitable solution, especially for complex components, difficult to replace. With this aim in mind, the use of cold gas dynamic spraying, known as “cold spray”, is particularly promising as it is a solid-state process and thus avoids heat-affected zone formation. Yet, successive particle impacts at supersonic velocities on the substrate during projection cause a strong deformation of the particles and severe work hardening of the impacted areas. This generates unstable microstructures in the as-sprayed state. In addition, if a large coating thickness is targeted, residual stresses accumulation can lead to crack initiation and propagation at particle-particle interfaces and/or at the substrate-coating interface. This thesis work is based on 316L cold sprayed coating heat treatment to adapt its microstructure as well as its in-use properties. To do so, it is necessary to better understand the mechanisms involved during these treatments, particularly at the particle-particle interfaces, as they are the main place of coating adhesion and the zones of strain concentration. The thesis is structured in three parts: i) microstructural analysis of as-sprayed coatings; ii) the development of an optimal heat treatment, in regard to microstructure and industrial application; iii) the study of its effect on the coating in-use properties. Heat treatment development involved a study of recovery and recrystallization phenomena, mainly by highlighting the three-stage recrystallization path, starting in the particles areas which are most affected by impacts during spraying, then propagating to the particles core zones and finally reaching the whole coating. This approach has led to a better understanding of the competition between the different thermally activated mechanisms and has led to the selection of a short-cycle treatment. This treatment, due to its high heating rate and short holding time, short-circuits some effects of slower treatments (as cavitation or extensive evolution of undesirable phases), resulting in a fine-grained recrystallized microstructure. Subsequently, the mechanical and corrosion properties of those heat-treated coatings were studied. It was shown that this short-cycle treatment allowed a considerable ductility restoration, while preserving corrosion resistance. A reproducible, with sufficient in-use properties, repair solution for 316L components with cold spray process has been identified.

 

Date de soutenance : mercredi 13 avril 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : 60 Boulevard Saint Michel, 75272 Paris Cedex 6 – L224
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES
Codirecteur : Jacques BESSON
Co-encadrant : Francesco DELLORO

En savoir plus

Evolution de la microstructure avec les paramètres de soudage et conséquences sur le comportement mécanique du métal fondu de joints soudés multipasses en acier à haute limite d'élasticité

Résumé de la thèse en français

Les aciers à haute limite d'élasticité sont très utilisés comme matériau de pièces de structure pour leur bonne combinaison entre résistance en traction et tenue au choc. Les composants en acier à haute limite d'élasticité peuvent être assemblés par soudage à l'électrode enrobée ; le métal fondu du joint soudé doit posséder des caractéristiques mécaniques aussi performantes que celles du métal de base. Afin d'optimiser les caractéristiques mécaniques des joints soudés, deux paramètres principaux sont impactants : la composition chimique du métal d'apport et les paramètres utilisés lors du procédé de soudage. Les travaux de thèse visent à mieux comprendre la genèse de la microstructure et ses conséquences sur le comportement mécanique du métal déposé, dans des joints soudés multipasses en acier à haute limite d'élasticité. Dans un premier temps, le lien entre l'historique thermique complexe des joints multipasses et les caractéristiques macrostructurales et microstructurales a été caractérisé en détail. Pour cela, des modèles thermiques du soudage (simulation numérique et modèle analytique de Rosenthal) ont permis d'estimer les cycles thermiques locaux issus des passes de soudage, qui réchauffent, voire ré-austénitisent les passes précédentes. La comparaison de ces cycles locaux avec les macrostructures de joints a mis en évidence une typologie d'historiques thermiques et de zones correspondantes dans les joints. Des campagnes d'essais dilatométriques et de traitements thermiques sur machine Gleeble ont permis d'évaluer l'influence des cycles thermiques locaux sur la microstructure. Des cycles simplifiés ont montré l'influence de la température de pic et de la vitesse de refroidissement. Les résultats ont été confirmés pour des formes de cycle plus proches des cycles réels, simulant différentes énergies de soudage et températures de préchauffage, pour différentes compositions chimiques du produit d'apport. Un effet mémoire des grains austénitiques parents, même après austénitisation complète, a été démontré. L'austénite résiduelle, présente à l'état brut de dépôt, est à l'origine de cet effet mémoire. Ce dernier permet, entre autres, de comprendre l'alternance des zones colonnaires et équiaxes visibles sur une macrographie ainsi que de mettre en évidence l'historique thermique particulier de certains zones spécifiques des joints. L'application de ces résultats à des assemblages soudés a révélé l'effet important de l'énergie de soudage et de la composition chimique du produit d'apport sur le comportement en traction et le comportement en rupture. Comme la microstructure est à l'origine de ces variations de caractéristiques mécaniques, plusieurs microstructures modèles ont été sélectionnées afin d'isoler, autant que possible, la contribution des différents constituants aux propriétés mécaniques. Des cycles thermiques à paliers isothermes et à refroidissement continu ont été appliqués afin de former ces microstructures modèles. Leur comportement en traction et en résilience ont fourni des pistes d'amélioration des propriétés à rupture des assemblages soudés réels. Cette étude apporte une meilleure compréhension de ces microstructures complexes et de leur impact sur le comportement mécanique des joints multipasses. En plus de mieux cerner les nombreux effets des paramètres de soudage sur l'historique thermique et les macrostructures, elle fournit également des outils d'aide à l'expertise utiles industriellement.

Résumé de la thèse en anglais

High strength steels are widely used for structural parts because of their good combination of tensile strength and impact toughness. Components made of high strength steel can be joined by coated electrode welding; the weld metal must have the same mechanical properties as the base metal. Optimisation of the mechanical properties of the welded joints mainly relies on two parameters: the chemical composition of the filler metal and the welding parameters. This research work aims at better understanding of the genesis of the microstructure and of its consequences on the mechanical behaviour of the deposited metal, in multipass welded joints made of high strength steel. In a first step, the link between the complex thermal history of multipass welds and the macro- and microstructural characteristics was characterised in detail. For this purpose, thermal models of welding (numerical simulation and Rosenthal analytical model) were used to estimate the local thermal cycles resulting from the welding passes, which reheat or even re-austenitise the previous ones. The comparison of these local cycles with the macrostructures of the joints revealed a typology of thermal histories and of corresponding regions in the macrographs. Dilatometric tests and heat treatments on a Gleeble machine were used to evaluate the influence of local thermal cycles on the microstructure. Simplified cycles showed the influence of peak temperature and cooling rate. The results were confirmed for heat cycle closer to real ones, simulating different heat input and preheating temperatures, for different chemical compositions of the filler material. A memory effect of the parent austenite grains, even after complete austenitisation, was demonstrated. Retained austenite, present in the as-welded microstructure, is at the origin of this memory effect. The latter allows, among other things, to understand the alternation of columnar and equiaxed zones visible on a macrograph as well as to highlight the particular thermal history of certain specific zones of the joints. The application of these results to welded joints revealed the significant effect of the heat input and of the chemical composition of the filler material on the tensile and fracture behaviour. As the microstructure is the source of these variations in mechanical properties, several model microstructures were selected in order to isolate, as far as possible, the contribution of the different constituents to the mechanical properties. Isothermal and continuous cooling thermal cycles were applied to create these model microstructures. Their tensile and impact behaviour provided insights into the improvement of the fracture properties of real welded joints.

Titre anglais : Microstructural evolution with welding parameters and consequences on the mechanical behaviour of the weld metal of multipass high-strength steel welds
Date de soutenance : mercredi 2 février 2022 à 10h00
Adresse de soutenance : MINES Paristech, 60 Bd Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Anne-Françoise GOURGUES

En savoir plus

Effet des traitements thermomécaniques sur la microstructure d'un alliage de titane Ti2AlNb

Résumé de la thèse en français

Grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques jusqu'à 650 °C et une faible densité, les alliages de composition générique Ti2AlNb sont de bons candidats pour certaines applications aéronautiques. La mise en œuvre de ces alliages, depuis leur élaboration jusqu'à l'obtention, grâce aux traitements thermomécaniques, de la microstructure la mieux adaptée aux applications envisagées, nécessite cependant d'être optimisée avant qu'ils ne puissent être industrialisés. Cette étude a permis d'étudier les mécanismes de restauration et de recristallisation qui gouvernent l'évolution microstructurale d'un alliage Ti2AlNb pendant et après la déformation plastique relative au corroyage dans l'intervalle de température entre 1010 et 1204 °C afin de mieux maîtriser sa mise en forme à haute température. Plusieurs procédés de déformation plastique opérant dans les domaines de température, de vitesse de déformation et de déformation comparables à ceux dans lesquels sont classiquement réalisés les corroyages et la mise en forme industrielle ont été mis en œuvre. L'évolution dynamique de la microstructure a été analysée sur la base d'essais de compression et de torsion suivis par une trempe ; des essais de filage ont permis d'engendrer une première étape de recristallisation post-dynamique de l'alliage. Enfin, des traitements thermiques isothermes post-déformation ont permis d'étudier la recristallisation statique de l'alliage déformé. En caractérisant les microstructures par microscopie optique et par diffraction des électrons retrodiffusés (EBSD) en microscope électronique à balayage, l'effet des paramètres de déformation à haute température sur l'évolution microstructurale a été étudié. La recristallisation dynamique continue conduit à la formation d'une faible fraction volumique de grains recristallisés au voisinage des joints de grains. Une partie de ces grains feront office de germes pour la recristallisation post-dynamique ou pour la recristallisation statique. Les traitements thermiques isothermes post-déformation ont permis d'étudier la cinétique de la recristallisation statique et d'étudier les effets de la taille de grain avant déformation, de la température, et de la vitesse de déformation sur cette cinétique.

Résumé de la thèse en anglais

Due to their excellent properties, especially, high temperature mechanical strength and low density, Ti2AlNb-based alloys are considered as promising materials for rotating parts in aircraft engines. Such properties are obtained through appropriate thermomechanical treatment which should result in optimal microstructure for a specific application. Different stages of thermomechanical treatments of Ti2AlNb alloys are still required to be optimized to guarantee the best alloys performance. Therefore, the understanding of microstructure evolution of Ti2AlNb alloys during high temperature processing is of particular industrial interest.The aim of the present work was to investigate the microstructure changes in a Ti2AlNb alloy induced by high temperature plastic deformation in the temperature range of 1010-1204 °C, in order to further optimize high temperature alloy processing. The dynamic evolution of the microstructure was analysed through compression and torsion tests followed by quenching, and hot extrusion tests were used to generate a first stage of post-dynamic recrystallization of the alloy. Finally, post-deformation isothermal heat treatments were used to study the static recrystallization phenomenon. The microstructure was characterized by means of optical microscopy and electron backscatter diffraction (EBSD) in scanning electron microscope. The effect of high-temperature deformation parameters on the microstructure evolution was studied. It is revealed that continuous dynamic recrystallization leads to the formation of a low volume fraction of recrystallized grains in the area close to the initial grain boundaries. Some of these grains will further become nuclei for post-dynamic or static recrystallization. Post-deformation isothermal heat treatments allowed to study the kinetics of static recrystallization and to investigate the effect of initial grain size, temperature and strain rate.

Titre anglais : Effect of thermomechanical treatments on microstructure of Ti2AlNb alloy
Date de soutenance : jeudi 20 janvier 2022 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech – Université PSL, 60 Bd Saint-Michel, 75272 Paris – L109
Directeur de thèse : Vincent MAUREL
Co-encadrant : Loïc NAZE
Co-encadrant : Vladimir ESIN

En savoir plus

Stabilité en composition et en température des phases η et δ dans les superalliages base nickel

Résumé en français

L'étude proposée a pour objectif de préciser les domaines de composition et de température dans lesquels les phases susceptibles de produire les effets recherchés seraient stables.

Résumé en anglais

The aim of this study is to precise the composition and temperature domains in which the phases, which could likely produce the desired effects, would be stable.

Titre anglais : Composition and temperature stability of ? and ? phases in nickel base superalloys
Date de soutenance : mercredi 18 décembre 2019 à 14h00
Adresse de soutenance : Mines Paristech 60, boulevard Saint-Michel 75006 Paris – V107
Directeurs de thèse : Vincent MAUREL, Vladimir ESIN

En savoir plus