Caractérisation et prédiction de la microstructure obtenue par fabrication additive. Application aux aciers inoxydables.

Characterization and prediction of the microstructure obtained by additive manufacturing. Application to stainless steel.

• Auteur / Autrice : Sébastien Relave
• Direction : Christophe Desrayaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 17/01/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ed Sis 488
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie Physique et Mécanique des Matériaux - Centre Science des Matériaux et des Structures / SMS-ENSMSE
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Bergheau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Desrayaud, Jean-Michel Bergheau, Marie-Noëlle Avettand-Fenoël, Michel Bellet, Aleksey Sova, Aurélien Villani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Noëlle Avettand-Fenoël, Michel Bellet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage laser

Modélisation électrothermique

Acier inoxydable austénitique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Fusion faisceau laser

316L

Métallurgie

Caractérisation microstructurale

Modélisation thermique

Laser beam melting

316L

Microstructure characterization

Thermal modelling

Additive manufacturing

Résumé

Dans la famille des procédés de fabrication additive, le procédé laser beam melting (LBM) permet la conception de formes complexes par une méthode de construction couche par couche, à partir d’un lit de poudre. La compréhension des mécanismes de solidification mis en jeu lors de la fabrication est encore trop peu maitrisée pour une optimisation du procédé LBM Ainsi cette étude a pour objectif d’optimiser les caractéristiques des composants issus du procédé LBM. Pour parvenir à notre but, cette étude a été découpée en deux parties : la première a porté sur l’étude de l’influence des paramètres procédés et de la composition d’alliage sur la microstructure des échantillons fabriqués par LBM, tandis que la seconde concernait le développement d’un modèle thermique visant à prédire la microstructure. Au cours de cette étude, des analyses microstructurales et mécaniques ont été menées sur des pièces 3D en acier 316L, construites en faisant varier les paramètres procédés et la composition des poudres. Cette partie a pu mettre en évidence l’influence non négligeable de la composition chimique sur le chemin de solidification de l’alliage, impactant directement la microstructure de solidification donc indirectement, les propriétés mécaniques. Parallèlement à cette étude, le modèle thermique développé a permis d’identifier la structure de solidification et d’estimer la forme et la taille de la zone fondue, en fonction des paramètres procédés utilisés dans la première partie. La compréhension approfondie du mécanisme de solidification rencontré lors du procédé LBM, permet d’émettre des recommandations sur les compositions de la nuance 316L la plus adaptée à ce procédé.

The laser beam melting (LBM) is an additive manufacturing process that allows the production of complex samples trough a layer-by-layer melting of the powder bed by the laser beam. In the most of the studies, the solidification mechanisms were not studied in details. However, from scientific and practical point of view, it is necessary to study and to describe these mechanisms which can help to optimize the mechanical properties of LBM samples. The purposes of this study were to analyse the influence of process parameters and the powder chemical composition on the microstructure of manufactured parts and to develop a numerical simulation model capable to predict the microstructure of the part after material solidification. In this work, the microstructure and mechanical properties of 316L alloy LBM samples were analysed in dependence on the process parameters and the chemical composition of the powders. The results obtained during the study showed the significant influence of the chemical composition of the powder on the sample microstructure for the same process parameters. It was found that the chemical composition impacts the solidification path of the alloy, the latter can give different microstructure and therefore different mechanical properties. Meanwhile, thanks to thermal model developed, the solidification structure and the shape and size of the melting pool have been identified, according to the process parameters used for the experiment part. Finally, the link between the microstructure observed and the microstructure predicted by the model have been settled, leading to a deeper understanding of the solidification mechanism encountered during the LBM process.