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Relation microstructure-propriétés dans un alliage Inconel 718 élaboré par fabrication additive : étude de vieillissement

Relation microstructure-propriétés dans un alliage Inconel 718 élaboré par fabrication additive : étude de vieillissement

Microstructure-properties relationship in Inconel 718 alloy processed by additive manufacturing: study of thermal ageing effect

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

ESIN Vladimir

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactVladimir ESIN
Date de validité

01/10/2020

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

Précipitation, Restauration, Recristallisation, Diffusion, Superalliage à base de Ni, Fabrication additive

Precipitation, Recovery, Recrystallization, Diffusion, Ni-base superalloy, Additive manufacturing

Résumé

La fabrication additive des alliages métalliques se distingue des procédés traditionnels par son mode de fabrication original où la mise en forme se fait par ajout progressif de matière plutôt que par enlèvement ou déplacement de matière, ce qui permet la fabrication de pièces de géométrie complexe sans difficultés particulières. Cependant, d'autres problématiques persistent avant que l'élaboration par fabrication additive ne soit largement répandue dans l'industrie. Les microstructures atypiques et fortement hors équilibre produites par fabrication additive peuvent conduire à des propriétés et, donc, à des comportements en service des matériaux métalliques très différents de ceux connus pour les nuances conventionnelles. L'analyse et la compréhension de la relation microstructure-propriétés des matériaux obtenus par la fabrication additive redevient alors un problème fondamental de la science des matériaux avec des enjeux industriels majeurs.
L'étude proposée vise à construire une cartographie des mécanismes contrôlant l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques de l'Inconel 718 produit par fabrication additive lors de traitements thermiques post élaboration et de vieillissement. L'Inconel 718 est un candidat de choix pour des applications à haute température car, élaboré par des méthodes conventionnelles, il est connu pour conserver ses propriétés à des températures pouvant atteindre 650 °C. Il s'agit in fine d'analyser le lien entre les microstructures spécifiques et les propriétés en analysant finement les phénomènes physiques mis en jeu. Les méthodes de caractérisation avancées, y compris des méthodes in situ, seront utilisées pour étudier différents mécanismes fondamentaux de la métallurgie physique (homogénéisation chimique, mécanismes de dissolution/formation de nouvelles phases, restauration/recristallisation, mécanismes de déformation plastique) dans un matériau initialement fortement hors-équilibre.

The additive manufacturing differs from other processing routes of metallic materials since it is based on progressive addition of matter instead on matter removal and displacement. It allows thus the fabrication of parts of complex geometry. However, different problems need to be overcome before additive manufacturing can be widely spread for industrial applications. Atypical and extremely non-equilibrium microstructures produced by additive manufacturing can result in very complex and different properties as compared to those known for conventional metallic materials. Therefore, a deep understanding of microstructure-properties relationship in alloys produced by additive manufacturing is a fundamental problem with important industrial issues.
The present PhD work aims to study mechanisms operating during microstructure evolution of an Inconel 718 alloy produced by additive manufacturing during post-processing ageing treatments and to build microstructure-properties map for different temperatures and ageing durations. The Inconel 718 is Ni-based superalloy which can be used for high-temperature applications since its mechanical properties remain stable up to 650 °C when processed by conventional methods. The present work aims at analyzing the effect of the specific microstructures induced by additive manufacturing on the material properties, investigating in details different physical phenomena operating during post-processing ageing treatment. Various advanced characterization techniques including in situ methods will be applied to study different fundamental mechanisms of physical metallurgy (chemical homogenization, growth and dissolution of precipitates, recovery and recrystallization, mechanisms of plastic deformation).

Contexte

La fabrication additive des alliages métalliques, souvent appelée impression 3D, est un procédé de fabrication relativement récent et très innovant. Ce dernier se distingue des procédés traditionnels (usinage ou forgeage) principalement par son mode de fabrication original où la mise en forme se fait par ajout progressif de matière plutôt que par enlèvement ou déplacement de matière. Cette technique permet la fabrication de pièces de géométrie complexe sans difficultés particulières ce qui présente de nombreux avantages telle que la réduction du nombre d'assemblages, ou encore l'allègement des structures [1]. A ce jour, la géométrie des pièces est bien maîtrisée, mais d'autres problématiques persistent avant que l'élaboration par fabrication additive soit largement répandue dans l'industrie.

Les nuances conventionnelles d'alliages traditionnellement utilisés pour la production des pièces de structures (aciers, alliages à base de titane, aluminium, nickel) ont été les premiers matériaux à être exploités et explorés pour l'élaboration par la fabrication additive. Or, il s'avère que ce procédé peut conduire à des microstructures très différentes de celles obtenues dans des procédés traditionnels comme la coulée ou le forgeage. Ces microstructures atypiques et fortement hors équilibre peuvent conduire à des propriétés et, donc, à des comportements en service très différents. Dès lors, malgré le fait que ces nuances d'alliages aient été déjà largement étudiées, l'analyse et la compréhension de la relation microstructure-propriétés des matériaux obtenus par la fabrication additive redevient un problème fondamental de la science des matériaux avec des enjeux industriels majeurs.
Parmi les matériaux actuellement utilisés en fabrication additive, un superalliage à base de nickel, l'Inconel 718 (nommé par la suite alliage 718), est un candidat de choix pour des applications à haute température. Cet alliage, élaboré par des méthodes conventionnelles (par exemple, coulé et forgé pour la réalisation de disques de turbines aéronautiques), est connu pour conserver ses propriétés à des températures pouvant atteindre 650 °C [2]. De plus, ses bonnes propriétés en oxydation et en fatigue permettent son utilisation pour de nombreuses applications aussi bien dans le domaine de l'aéronautique que l'énergétique [2,3].

Encadrement

Directeur de thèse : Vladimir Esin - Centre des Matériaux
Co-Directeur de thèse : Philippe Vermaut - Chimie ParisTech
Co-Encadrant de thèse : Sylvain Depinoy - 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) :
Ingénieur et/ou Master recherche en métallurgie/science en génie des matériaux. Connaissances approfondies en diffusion à l'état solide, précipitation et recristallisation. Expérience en simulation numérique souhaitée. Goût pour le travail expérimental et la modélisation.

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):
Master in mettalurgy or materials science. Good knowledge of diffusion in solids, precipitation and recrystallisation theories. Programming skills.

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• 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, vladimir.esin@mines-paristech.fr

Objectif

Conventionnellement, la microstructure de l'alliage 718 consiste en une solution solide à base de nickel (la phase ?) renforcée par des précipités de phases secondaires ?'-Ni3Al et ?''-Ni3Nb [2]. L'optimisation des propriétés mécaniques se fait via la maitrise de la taille de grains de la matrice ? et de la distribution spatiale de précipités ?'-Ni3Al et ?''-Ni3Nb lors de traitements thermomécaniques après coulée. Le niobium est un élément essentiel aux bonnes propriétés de l'alliage 718 mais peut également conduire à la formation de phases potentiellement fragilisantes telles que la phase ?-Ni3Nb, les carbures NbC et les phases de Laves, dont la fraction et la taille doivent être contrôlées pendant les traitements thermiques afin de minimiser leur effet néfaste sur les propriétés.
Les études disponibles dans la littérature portant sur la fabrication additive de pièces en alliage 718 indiquent l'effet important du procédé sur la microstructure, et donc sur son évolution en fonction des conditions de traitements thermiques ultérieurs. Par exemple, les conditions conventionnelles de remise en solution, visant traditionnellement à dissoudre les précipités de phases ?'-Ni3Al et ?''-Ni3Nb formés de façon non-contrôlée lors de la coulée, s'avère ne pas être suffisante dans le cas de l'élaboration par fabrication additive en raison des ségrégations induites par le procédé [4,5] et peut même provoquer une croissance des grains excessive et problématique par recristallisation de la matrice ? [6]. Ces études sont encore peu nombreuses, et la compréhension de l'évolution des microstructures spécifiques obtenues après une élaboration par la fabrication additive nécessite d'être encore approfondie. Par ailleurs, les conséquences de ces états initiaux, partiellement corrigés par des traitements thermiques post fabrication, sur le vieillissement de la pièce en fonctionnement n'ont pas ou peu été explorées.
L'étude proposée vise à construire une cartographie des mécanismes contrôlant l'évolution de la microstructure et des propriétés mécaniques de l'alliage 718 produit par fabrication additive lors de traitements thermiques post élaboration et de vieillissement. Il s'agit in fine d'analyser le lien entre ces microstructures spécifiques et les propriétés en analysant finement les phénomènes physiques mis en jeu. Les méthodes de caractérisation avancées, y compris des méthodes in situ, seront utilisées pour étudier différents mécanismes fondamentaux de la métallurgie physique (homogénéisation chimique, mécanismes de dissolution/formation de nouvelles phases, restauration/recristallisation, mécanismes de déformation plastique) dans un matériau initialement fortement hors-équilibre.

Références

[1] Kruth, J.P., Wang, X., Laoui, T. and Froyen, L., 'Lasers and materials in selective laser sintering', Assembly Automation (2003), Vol. 23 No. 4, pp. 357-371.
[2] R.C. Reed, “The Superalloys: Fundamentals and Applications”, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006.
[3] B. Rashmi Bhavsar, Collins Anthony, Silverman Seth, Use of alloy 718 and 725 in oil and gas industry, in: E.A. Lorin (Eds.), Superalloys 718, 625, 706 and various derivatives, TMS 2001, pp 47–55.
[4] H. Qi, M. Azer and A. Ritter, “Studies of standard heat treatment effects on microstructure and mechanical properties of Laser Net Shape Manufactured INCONEL 718”, Metall. Mater. Trans. A, 40 (10) (2009), pp. 2410-2422.
[5] Y. Zhang, Z. Li, P. Nie and Y. Wuy, “Effects of heat treatment on Niobium segregation of Laser-Cladded IN718 alloy coating”, Met. Mat. Trans. A, 44 (2013), pp. 708-716.
[6] W.M.Tucho, P. Cuvillier, A. Sjolyst-Kverneland, V. Hansen, “Microstructure and hardness studies of Inconel 718 manufactured by selective laser melting before and after solution heat treatment”, Materials Science and Engineering: A, Volume 689 (2017) pp. 220-232.

Type financement

Contrat de recherche

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