Prédiction des structures de grain d’un composant en acier 316L élaboré par fabrication additive fusion laser sur lit de poudre

Numerical prediction of grain structures during laser beam melting of a 316L steel component

• Auteur / Autrice : Anaïs Baumard
• Direction : Cyril Bordreuil, Frédéric Deschaux-Beaume
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 07/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil. LMGC (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Peyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cyril Bordreuil, Frédéric Deschaux-Beaume, Patrice Peyre, Charles-André Gandin, Rémy Dendievel, Danièle Ayrault, Olivier Fandeur, Christophe Colin, Olivier Doyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles-André Gandin, Rémy Dendievel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers chimiques

Milieux granulaires

Acier inoxydable

Solidification

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Solidification

Fusion laser sur lit de poudre

Modèle CAFE

Structure granulaire

Acier inoxydable 316 L

Additive Manufacturing

Solidification

Laser Beam Meltin (LBM)

CAFE Model

Grain structure

316L stainless steel

Résumé

Les potentialités de la fabrication additive (FA) sont en cours d’étude au Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA). En particulier, la possibilité de réaliser par fusion laser sur lit de poudre des composants en acier austénitique utilisés pour des applications nucléaires est étudiée. Il a été constaté que les métaux issus du procédé fusion laser sur lit de poudre (Laser Beam Melting – LBM) présentaient généralement une anisotropie de leurs propriétés mécaniques, provenant principalement des caractéristiques des structures de solidification (morphologie, taille, orientation et texture cristallographique des grains), elles-mêmes dépendantes des paramètres opératoires. Dans ce contexte, la formation des structures de grains obtenues lors de l’élaboration par procédé LBM d’éprouvettes de géométries simples en acier inoxydable 316L est étudiée, notamment afin d’appréhender les phénomènes régissant la solidification. Pour ce faire, une approche couplant essais expérimentaux, modélisation et simulations numériques est adoptée. Deux campagnes d’essais ont été effectuées. Au cours de la première des cordons monocouches ont été réalisés avec instrumentation optique grâce à l’utilisation d’une caméra rapide, ce qui nous a permis d’observer la formation et l’évolution du bain au cours de la fabrication. Lors de la seconde campagne, des pièces formées par la superposition d’un grand nombre de couches ont été réalisées afin d’appréhender le comportement des grains dans le cas de multiples cycles de fusion-solidification. La caractérisation métallurgique des grains présents dans les différentes maquettes combinée aux vidéos de bain enregistrées au cours des essais nous a permis de recueillir les caractéristiques morphologiques et cristallographiques des structures de grains formées ainsi que celles du bain de fusion. Par ailleurs, plusieurs combinaisons de paramètres opératoires ayant été testées au cours des essais, les liens entre paramètres opératoires, mécanismes de transfert de chaleur et structure granulaire formée ont pu être appréhendés. Suite à cela, un modèle numérique de prédiction des structures de grains a été mis en place et développé, intégrant les principaux phénomènes physiques identifiés au cours de l’étude expérimentale. Ce modèle est basé sur un chainage entre un modèle thermique du procédé utilisant la méthode Eléments Finis (EF), et un modèle de formation des grains employant la méthode automate cellulaire (AC). On parle de modèle « CAFE ». Le modèle EF choisi est purement conductif. Il a été défini à l’aide des essais instrumentés et ajusté grâce aux dimensions et à la géométrie des zones fondues expérimentales. Les simulations « CAFE » ont permis de prédire les structures de grains formées dans les géométries monocordons. Enfin des comparaisons entre résultats expérimentaux et simulés ont été effectuées, et les résultats numériques discutés en lien avec le modèle de croissance et les paramètres opératoires appliqués.

The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) is currently estimating the industrial potential of Additive Manufacturing (AM) processes. Particularly, the construction of stainless steel components, for nuclear applications, using the Laser Beam Melting (LBM) technology is evaluated. Anisotropic mechanical behaviour is frequently observed in parts manufactured by LBM. This is directly linked to the component’s grain structure’s characteristics, which themselves are dependant on the LBM process’ parameters. In this context, the formation of grain structures during single line 316L stainless steel samples has been investigated. We focus on the different phenomena identified during solidification. To this end, an approach combining experiment, numerical modelling and simulations is adopted. Two experimental studies were performed. The first consisted in building single-layer tracks and melt-runs on an instrumented LBM bench, that enabled the observation of the formation and evolution of the melt pool during the process. The second consisted in building geometries composed of multi-layer melt-runs, for the study of grain behaviour undergoing fusion-solidification cycles. The metallographic characterisation of the produced samples along with high-speed camera recordings during the tests allowed for the determination of grain characteristics and melt-pool sizes and geometries. Moreover, several process parameter combinations were used, and so the relations between operating parameters, heat transfer mechanisms and generated grain structures are studied. Additionally a numerical model of grain structure formation was implemented and developed, incorporating the main physical phenomena identified throughout our experimental investigations. The numerical model is based on a three-dimensional “CAFE” model, which couples Cellular Automata (CA) and Finite Element (FE) simulations. The thermal model defined is purely conductive and was calibrated using instrumented experiments, and validated by comparing the size and shape of the numerical and experimental molten zones. Finally, numerical grain characteristics resulting from the simulations are compared to the experimental ones, and the numerical results are discussed as a function of the different implemented growth models and tested process parameters.