Thèse CIFRE – Fabrication additive : simulation numérique de la précipitation dans les superalliages F/H

Le développement de moteurs d'avion de plus en plus performants et de moins en moins consommateurs de carburant, conduit à élaborer des pièces toujours plus légères, qui conservent néanmoins de bonnes propriétés thermomécaniques à haute température.

Dans ce contexte général, la Fabrication Additive (FA) de pièces en superalliage à base nickel par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) répondrait à ces objectifs. Cependant, la production de pièces aux propriétés thermomécaniques satisfaisantes reste actuellement un défi, qui passe par la compréhension, la maitrise et l'optimisation des microstructures générées lors du procédé de mise en forme. En particulier, les cycles thermiques générés par le procédé de fabrication additive – cycles thermiques éventuellement complétés par un traitement thermique post-fabrication – induit des cycles de précipitation et de dissolution des phases durcissantes. Ainsi, la maitrise de l'évolution de la précipitation au cours du procédé est nécessaire pour optimiser les propriétés d'usage des pièces fabriquées.

Le projet NILS définit des collaborations entre le groupe Safran et les Mines Paris visant à améliorer les propriétés des pièces fabriquées en superalliages à base nickel par le procédé LPBF. Il s'articule autour de 4 thèses réalisées en étroites collaborations.

La thèse proposée ici vise à modéliser et optimiser la présence des phases durcissantes lors du procédé de fabrication additive. Plus précisément, le travail consiste en une modélisation numérique des séquences de précipitation/dissolution des phases durcissantes au cours du procédé de fabrication additive pour deux superalliages à base nickel. Il se décline en deux parties :

En premier lieu, il s'agira de modéliser l'histoire thermique de la pièce au cours de sa fabrication et en tout point du métal solidifié. On utilisera pour cela un modèle numérique par éléments finis développé au Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF) [1].
En second lieu, il s'agira de développer un modèle numérique permettant de prédire l'évolution de la distribution de précipités en fonction de l'histoire thermique locale du matériau. Pour cela, on développera le modèle de champ moyen PREC [2, 3] de la librairie PhysalurgY du CEMEF [4]. Cette librairie constitue une banque d'outils de modélisation d'évolutions microstructurales couplés au logiciel Thermo-Calc et à ses bases de données thermodynamiques [5].

Ces deux travaux de modélisation et leur couplage permettront de simuler l'évolution de la distribution de précipités au cours de la fabrication de pièces de superalliage à base nickel par fabrication additive LPBF. Les résultats de simulation seront confrontés à des observations expérimentales réalisées d'une part dans le cadre d'une autre thèse du projet NILS, et d'autre part sur les équipements industriels de Safran Additive Manufacturing Campus.

Références bibliographiques associées :

[1] Zhang, Y., Gandin Ch.-A., Guillemot (2022). Finite Element Modeling of Powder Bed Fusion at Part Scale by a Super-Layer Deposition Method Based on Level Set and Mesh Adaptation. Journal of Manufacturing Science and Engineering 144 (5)

[2] Legrand, V. (2015). Modélisation des processus de précipitation et prédiction des propriétés mécaniques résultantes dans les alliages d'aluminium à durcissement structural: Application au soudage par Friction Malaxage (FSW) de tôles AA2024 (Doctoral dissertation, Paris, ENMP).

[3] Jacquin, D. & Guillemot, G. (2021). A review of microstructural changes occurring during FSW in aluminium alloys and their modelling. Journal of Materials Processing Technology, 288, 116706.

[4] Guillemot, G. & Gandin, C. A. (2017). An analytical model with interaction between species for growth and dissolution of precipitates. Acta Materialia, 134, 375-393.

[5] Andersson, J. O., Helander, T., Höglund, L., Shi, P. & Sundman, B. (2002). Thermo-Calc & DICTRA, computational tools for materials science. Calphad, 26(2), 273-312.

Profil et compétences recherchées chez le candidat :

• Titulaire d'un master 2 et/ou d'un diplôme d'ingénieur (Bac+5).
• Compétences en métallurgie physique.
• Compétences en modélisation et simulation numérique.
• Curiosité et sens critique.
• Rigueur scientifique, autonomie, sens de l'organisation.

Poste à pourvoir début octobre 2023.