Edouard CHAUVET

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CONTEXTE

Les technologies de fabrication additive suscitent aujourd’hui un fort intérêt, en  apparaissant  comme une alternative aux approches conventionnelles de fabrication par enlèvement de matière (fabrication soustractive). Elles permettent notamment des libertés nouvelles dans le design des pièces. Elles sont aujourd’hui assez largement diffusées dans le cas de pièces en polymère et commencent à être présentes dans le cas de pièces métalliques. De plus, la fabrication additive, puisqu’elle permet la réalisation de matériaux couche par couche à partir de la fusion sélective de poudres, s’avère un outil inégalable pour la réalisation de matériaux architecturés «sur mesure», exemple Figure 1a. C’est dans ce contexte que Grenoble INP, grâce en particulier au soutien du CEMAM a pu se doter en 2012 d’une machine Electron Beam Melting, premier équipement de ce type en France implanté sur site universitaire. Une première thèse (Mathieu SUARD, 2012-2015) a démarré dès l’arrivée de l’équipement, consacrée aux designs cellulaires pouvant être obtenus avec cette technologie. Cette étude a porté sur l’alliage de titane TA6V, alliage qui est aujourd’hui l’alliage de référence en EBM

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Figure 1. (a) Exemples pièces en TA6V réalisées par EBM. (b) Caractérisation par micro tomographie X d’éléments de structures architecturées. (c) Caractérisation EBSD de la microstructure α+β de l’alliage TA6V élaboré par EBM.

 L’allègement dans le domaine du transport peut passer par le développement de nouveaux alliages métalliques ou de nouvelles associations de matériaux. Une autre voie d’allègement s’appuie la possibilité d’utiliser, dans des approches de re-conception ou d’optimisation, des matériaux architecturés.

SUJET DE THESE

Aujourd’hui, la fabrication additive de pièces métalliques par le procédé dit d’EBM (fusion sélective locale) concerne essentiellement les alliages de titane et les alliages cobalt-chrome. Dans le but d’étendre les champs d’applications de ce nouveau procédé d’élaboration, il convient de s’intéresser à la possibilité de l’appliquer à de nouveaux alliages.

Une demande forte provenant du secteur de l’aéronautique commence à se faire sentir et concerne les superalliages base-Nickel et notamment les Inconels. Ces matériaux sont notoirement connus pour leur résistance aux environnements sévères comme les hautes températures (T > 700°C) et sont très utilisés pour les aubes et les disques de turbine par exemple. Ces alliages ont fait l’objet de nombreuses études afin d’optimiser leur microstructure pour maximiser leur résistance mécanique en conditions sévères de température et pression. La réalisation de pièces en superalliage base-Nickel via le procédé EBM n’en est  qu’à ses balbutiements [Murr et al. 2011], [Murr et al. 2013], voir Figure 2. La capacité à réaliser des pièces, notamment architecturées, en superalliage base-Ni par EBM demeure un réel défi. L’objectif de la thèse est d’évaluer les possibilités d’obtention de pièces en superalliages base-Ni, dans un premier temps massives puis dans un deuxième temps architecturées

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Figure 2. Microstructures de superalliage base-Ni élaboré par EBM: (a) Inconel 718 [Murr et al. 2011] et (b) Rene 142 [Murr et al. 2013].

 

La première étape du travail consistera à identifier et sélectionner les meilleurs candidats en termes de composition d’alliages. La capacité à obtenir des poudres présentant des caractéristiques spécifiques à ce type de procédé notamment en termes de morphologie et de taille sera un critère de sélection primordial.

Une fois la nuance d’alliage sélectionnée et les poudres caractérisées, il s’agira d’étudier les influences respectives des paramètres du procédé (e.g. direction de construction, température de consolidation, densité d’énergie, intensité du faisceau, vitesse de balayage du faisceau et stratégie de balayage) sur la capacité d’élaboration. Une attention particulière sera ainsi portée aux évolutions microstructurales induites par le procédé et à la qualité métallurgique obtenue. Les caractérisations microstructurales multi échelle (Métallographie, MEB, EBSD, MET (outil ACOM), DRX)  seront mises en  œuvre afin de discriminer les microstructures à partir de différents critères: taille des grains de la phase austénitique γ; proportion, taille, morphologie et cohérence des phases intermétalliques durcissantes de type γ’ [Ni3(Ti,Al] ou γ » [Ni3Nb] ou encore présence d’éventuelles porosités ou fissures. Les propriétés mécaniques résultant des microstructures générées via le procédé EBM seront ensuite caractérisées par divers essais: dureté, traction/compression. Les relations entre microstructures et propriétés seront mises  en évidence. L’anisotropie du comportement mécanique fera aussi l’objet d’une attention particulière compte tenu des structures colonnaires qui peuvent se développer lors de la fusion par le faisceau d’électrons. On ne s’interdit pas a priori d’étudier l’amélioration possible des propriétés par des traitements thermiques post-élaboration. Les propriétés des matériaux élaborés par EBM seront comparées avec celles obtenues via d’autres procédés.

Une des finalités de la thèse sera, après sélection des conditions optimales, d’étudier la possibilité d’obtenir des pièces architecturées en superalliage base-Ni par EBM et de comparer les géométries accessibles en regard de celles qui peuvent être produites dans le cas des alliages de titane (lien avec la  thèse 1 sur l’optimisation des architectures en fabrication additive).

 

[Murr et al., 2011] L.E. Murr, E. Martinez, S.M. Gaytan, D.A. Ramirez, B.I. Machado, P.W. Shindo, J.L. Martinez, F. Medina, J. Wooten,

  1. Ciscel, U. Ackelid, R.B. Wicker, Microstructural Architecture, Microstructures, and Mechanical Properties for a Nickel-base Superalloy Fabricated by Electron Beam Melting, Metallurgical and materials Transactions A 42A (2011) 3491-3507

 

[Murr et al., 2013] L.E. Murr, E. Martinez, X.M. Pan, S.M. Gaytan, J.A. Castro, C.A. Terrazas, F. Medina, R.B. Wicker, D.H. Abbott, Microstructures of Rene nickel-based superalloy fabricated by electron beam melting, Acta Materialia 61 (2013) 4289-4296

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