Soutenances autorisées pour l'école doctorale [ED 591 PSIME] École Doctorale Physique, Sciences de l'Ingénieur, Matériaux, Énergie

Liste des soutenances à venir 2

Relatiοns micrοstructure-prοpriétés mécaniques-prοcédés dans des pièces en alliages à base d'aluminium élabοrées par fabricatiοn additive.

Doctorant·e: ROSE Gregory
Direction de thèse: LEFEBVRE WILLIAMS (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 07/10/2022 à 09:30
Lieu de la soutenance: Salle de Conférences , Groupe de Physique des Matériaux
Rapporteurs de la thèse: COUZINE JEAN-PHILIPPE PROFESSEUR DES UNIVERSITES UNIVERSITE PARIS-EST CRETEIL
DUMONT MYRIAM PROFESSEUR DES UNIVERSITES ENSAM (Lille)
Membres du jurys: BAUSTERT ERIC, ,
COUZINE JEAN-PHILIPPE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE PARIS-EST CRETEIL
DUMONT MYRIAM, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, ENSAM (Lille)
LEFEBVRE WILLIAMS, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université de Rouen Normandie
MARTIN GUILHEM, MAITRE DE CONFERENCES HDR, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES
MOUTON ISABELLE, INGENIEUR, Commissariat à l'Energie Atomique
VIEILLE BENOIT, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Institut National des Sciences Appliquées Rouen Normandie

Résumé: La fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est un procédé utilisé en fabrication additive qui permet la mise en forme d’une large variété de pièces complexes notamment pour les secteurs de l’aéronautique et l’aérospatial. Le système Al-Si est la famille d’alliages d’aluminium la plus communément utilisée pour la fabrication de pièces élaborées par LPBF. Ces alliages sont bien connus pour leur bonne coulabilité, leur haute conductivité thermique ainsi que pour leur bonne résistance à la corrosion. Cependant, les fortes vitesses de refroidissement inhérentes au procédé LPBF génèrent des microstructures ultrafines et des phases hors-équilibre avec une sursaturation en Si dans la matrice d’Al bien en-dessus de la limite de solubilité attendue dans les systèmes Al-Si. Afin de tirer profit des fortes vitesses de refroidissement et des gradients thermiques, de nouveaux alliages d’aluminium ont été développés ou modifiés spécialement pour le procédé LPBF. Ces matériaux réputés non soudables ont pu être mis en forme par fabrication additive grâce à l’introduction d’éléments germinateurs tels que le zirconium et le titane afin de limiter les phénomènes de fissuration à chaud. L’objectif de cette étude est d’évaluer l’impact du procédé de fusion laser sur lit de poudre et des traitements thermiques sur la formation de précipités et la composition des phases induites par le refroidissement rapide dans ces alliages d’aluminium. Dans ce contexte, le comportement des atomes de Si et Mg a été analysé pour les alliages Al-Si ainsi que l’effet de l’ajout de Zr et Ti dans l’alliage Al2139. Il est révélé que le procédé LPBF permet d’obtenir des structures complexes avec des gradients de microstructure à l’échelle micrométrique et nanométrique, modifiant ainsi les cinétiques de précipitation par rapport au procédé conventionnel. L’ensemble de ces éléments contribue à la haute résistance mécanique de ces matériaux notamment l’Al2139 AM qui peut atteindre une limite élastique (Rp0,2) et une résistance à la traction (Rm) supérieures à 500 MPa. Pour répondre aux objectifs, une caractérisation microstructurale multi-échelle a été entreprise, de la microscopie électronique à balayage jusqu’à la Sonde Atomique Tomographique. Compte tenu de la microstructure héritée du procédé LPBF, des traitements thermiques spécifiques ont été conçus pour améliorer la réponse au durcissement de l'alliage. Le niveau de durcissement a pu être mis en relation avec l'évolution de la microstructure de l’alliage.
Abstract: The Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) process is used for the additive manufacturing (AM) of metal parts and is capable of producing a wide variety of complex parts for aeronautic and aerospatial sectors. Al-Si system is the most common aluminum alloy series used for the 3D manufacturing of parts by means of the PBF-LB method. They are known for their good flowability, high thermal conductivity and good corrosion resistance. However, rapid solidification causes ultrafine microstructure and non-equilibrium phases with supersaturation of Si in the Al matrix beyond the maximum solubility expected for the Al-Si system. In order to take advantage of the high cooling rate and thermal gradient, new aluminum alloys have been developed or modified specifically for the LPBF process. These materials, known as non-weldable, could be formed by additive manufacturing due to the introduction of grain refiners elements such as zirconium and titanium to limit the hot cracking effects. The main objective of this study is to evaluate the impact of the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process and heat treatments on the formation of precipitates and the composition of phases inherited by the rapid solidification process. In this context, clustering of Si and Mg atoms has been analysed for Al-Si alloys as well as the effect of adding Zr and Ti in Al2139 alloy. The LPBF process allows to obtain complex structures with microstructure gradients at the micrometer and nanometer scale, which modifies the precipitation kinetics compared to the conventional process. All these elements contribute to the high mechanical strength of these materials, especially Al2139 AM which can reach a yield strength (Rp0,2) and a tensile strength (Rm) higher than 500 MPa. In this study, a multi-scale microstructural characterization approach was chosen, from scanning electron microscopy to Atom Probe Tomography. From the knowledge of the microstructure inherited from the PBF-LB process, specific heat treatments were designed to improve the hardening response of the alloy and the level of hardening will be put into relation with the evolution of the alloy’s microstructure.

Characterizatiοns and simulatiοn οf Si3Ν4 sintering under gas pressure

Doctorant·e: GRIPPI Thomas
Direction de thèse: MARINEL Sylvain (Directeur·trice de thèse)
MANIÈRE CHARLES (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 04/11/2022 à 09:30
Lieu de la soutenance: Salle des thèses, S3 102, campus 2, Université de Caen Normandie
Rapporteurs de la thèse: COURTOIS CHRISTIAN Professeur des universités Université polytechnique Hauts de France
VALDIVIESO FRANÇOIS Professeur Institut Mines Telecom
Membres du jurys: BEHAR-LAFENETRE STÉPHANIE, Ingénieur de recherche, Thales Alenia Space Cannes
COURTOIS CHRISTIAN, Professeur des universités, Université polytechnique Hauts de France
LE PETITCORPS YANN, Professeur des universités, Université de Bordeaux
MANIÈRE CHARLES, Chargé de recherche, CNRS
MARINEL Sylvain, Professeur des universités, Université Caen Normandie
VALDIVIESO FRANÇOIS, Professeur , Institut Mines Telecom

Résumé: Les céramiques à base de Si3N4 sont utilisées pour les structures spatiales. Les composants spatiaux, dans un contexte optique, exigent un haut degré de précision dimensionnelle et de fiabilité. L'utilisation de ce matériau est tout à fait pertinente en raison de ses excellentes propriétés mécaniques et de sa stabilité dans des environnements critiques. La complexité du frittage en phase liquide du nitrure de silicium implique l'utilisation d'un procédé industriel avancé de frittage sous pression de gaz (Gas Pressure Sintering). Des additifs de frittage ont été développés conjointement pour faciliter le frittage de ce matériau tout en atteignant de hautes propriétés mécaniques. La simulation du comportement du matériau pendant le frittage est un processus clé pour anticiper la fabrication de grandes pièces. La thèse décrit une méthode pour la conception d'un modèle de frittage complet. A travers un plan d'expériences, des caractérisations et des identifications des paramètres de frittage, le modèle analytique est ainsi conceptualisé. Il prend en compte les aspects d'évolution de la microstructure, de densification et de gonflement. La dernière partie de la thèse se concentre sur l'implémentation de ce modèle dans un logiciel éléments finis, la modélisation de cas simples et la simulation de formes complexes. Le modèle est maintenant pleinement opérationnel pour simuler des formes complexes dans un four industriel.
Abstract: Si3N4-based ceramics are used for space structures assembly. Space components, in an optical context, require a high degree of dimensional accuracy and reliability. The use of such material makes perfect sense because of its excellent mechanical properties and its stability in a harsh environment. The complexity of liquid phase sintering of silicon nitride implies the use of advanced gas pressure sintering (GPS) industrial process. Sintering additives have been jointly developed to allow the sintering of this challenging material while reaching high mechanical properties. A simulation of the behaviour of the material during the sintering is a key process to anticipate the manufacturing of large parts. The thesis depicts a method for the conception of a comprehensive sintering model. Through a complete design of experiments plan, characterisations and identifications of sintering parameters, the analytical model is conceptualized. It takes into account microstructure evolution, densification and swelling aspects. The last part of the thesis is focusing on the implementation of this model on a FEM software, the modellisation of simple case and the simulation of complex shapes. The model is now fully operational to simulate complex shapes in an industrial furnace.