Microstructure, texture et propagation des ondes ultrasonores dans un superalliage à base de nickel fait par fabrication additive

Microstructure, texture and propagation of ultrasonic waves in a nickel-based superalloy made by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Amal Khabouchi
• Direction : Alain Hazotte, Pierre Calmon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 18/11/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Daloz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Hazotte, Muriel Véron, Jacques Lacaze, Lionel Germain, Cécile Gueudré, Nicolas Leymarie, Benoît Marchand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Véron, Jacques Lacaze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais par ultrasons

Texture (cristallographie)

Microstructure (physique)

Nickel -- Alliages

Alliages réfractaires

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Effets des paramètres du procédé sur la microstructure et la texture

Quantification de l'anisotropie élastique par deux approches différentes

Caractérisation de la microstructure et la texture cristalline

Quantification of elastic anisotropy by two different approaches

Additive manufacturing

Effects of process parameters on microstructure and texture

Microstructure and crystal texture characterization

Résumé

La fabrication additive est une technique industrielle révolutionnaire qui suscite un intérêt croissant depuis la fin des années 80 et commence petit à petit à remplacer les procédés conventionnels de fabrication, et même à ouvrir des horizons sur la création de nouveaux types de matériaux.Cette importance lui est attribuée grâce à plusieurs spécificités, à savoir la possibilité presque infinie de construire des pièces avec des géométries complexes et la possibilité de mixer plusieurs types de poudres avec des compositions chimiques différentes pour obtenir des matériaux à propriétés bien déterminées selon l’application finale. Ces matériaux sont souvent appelés matériaux à gradation fonctionnelle (functionally graded materials). La fabrication additive permet même de construire des matériaux composites. Elle est à présent utilisée dans presque tous les domaines industriels : aérospatial, médical, automobile ainsi que celui des composants électroniques. L’extension de la fabrication additive aux alliages métalliques est encore plus récente. Au cours des vingt dernières années, de nombreux procédés de fabrication additive métallique ont été développés. On peut citer la fusion laser sur lit de poudre (appelée SLM ou L-PBF), la Construction Laser Additive Directe (CLAD), le frittage sélectif sous laser (SLS), etc. … Bien qu’elle soit une technique très prometteuse, la fabrication additive, surtout la métallique, reste encore mal maîtrisée. Un gros travail technologique a été réalisé pour optimiser les paramètres de fabrication et améliorer les propriétés, notamment mécaniques, des pièces produites. Pour pouvoir exploiter à fond les atouts de la technique, un important effort de recherche reste cependant à faire pour bien comprendre et contrôler les mécanismes fins mis en jeu par les procédés. En conséquence, la communauté scientifique est actuellement très active dans ce domaine et les publications très nombreuses. D’un point de vue métallurgique, deux points apparaissent primordiaux pour la tenue mécanique des pièces. D’une part la présence de porosités, en plus ou moins forte proportion, dans le matériau déposé, qui peut conduire à une diminution de sa résistance. D’autre part, la texturation cristalline inhérente au procédé utilisé, qui se traduit par un comportement mécanique anisotrope. Les travaux de cette thèse se situent dans ce contexte. Ils ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre le LEM3 de Metz et le CEA-LIST de Saclay, intégrée dans un programme de recherche et d’innovation plus large liant le CEA-Tech de Lorraine et la Région Lorraine. Le CEA-LIST est spécialisé -entre autres- dans le développement de méthodes de contrôle non destructif (CND) pour détecter la présence de défauts dans des pièces métalliques. Le LEM3 a une compétence particulière dans la quantification et la compréhension des textures cristallines des alliages métalliques liées à leurs conditions d’élaboration. D’un point de vue scientifique, les objectifs de la thèse étaient doubles : d’une part améliorer notre compréhension de la genèse des textures cristallines lors du dépôt d’un alliage métallique par SLM ; d’autre part, évaluer les conséquences de ces textures sur la propagation des ondes ultrasonores utilisées classiquemen t en CND. D’un point de vue plus pratique, la question qui se posait en début de thèse était : l’anisotropie de propagation élastique des ultrasons liée à la texturation cristalline produite par le procédé SLM nécessite-t-elle de revoir le protocole de contrôle non destructif par ultrasons ?

Additive Manufacturing is a revolutionary industrial technique that has attracted increasing interest since the late 1980s and is gradually beginning to replace conventional manufacturing processes, and even to open horizons for the creation of new types of materials. This importance is attributed to it thanks to several specificities, namely the almost infinite possibility of building parts with complex geometries and the possibility of mixing several types of powders with different chemical compositions to obtain materials with well-defined properties depending on the final applications. These materials are often referred to as functionally graded materials. Additive manufacturing is even used to build composite materials. It is now used in almost all industrial fields: aerospace, medical, automotive and electronic components. The extension of additive manufacturing to metal alloys is even more recent. Over the past 20 years, many metal additive manufacturing processes have been developed. Examples include laser powder bed fusion (called SLM or L-PBF), direct additive laser construction (CLAD), selective laser sintering (SLS), etc... Although that it is a very promising technique, additive manufacturing, especially the metallic one, is still poorly controlled. Considerable technological work has been done to optimise the manufacturing parameters and improve the properties, particularly mechanical ones, of the parts produced. However, to fully use the advantages of the technique, a major research effort remains to be made to fully understand and control the fine mechanisms involved in the processes. As a result, the scientific community is currently very active in this field and the publications are very numerous. From a metallurgical point of view, two points seem to be important for the mechanical strength of the parts. On one hand, the presence of porosities, in a greater or lesser proportion, in the deposited material, which can le ad to a decrease in its resistance. On the other hand, the crystalline texturing inherent in the process used, which results in an anisotropic mechanical behaviour. The work of this thesis is in this context. It was conducted as part of a collaboration between the LEM3 in Metz and CEA-LIST in Saclay, integrated within a wider program of research and innovation joining CEA-Tech Lorraine and the Region of Lorraine. The CEA-LIST is specialized -among other things- in the development of non-destructive control methods (NDT) to detect the presence of defects in metal parts. LEM3 has particular competence in quantifying and understanding the crystalline textures of metal alloys related to their elaboration conditions. From a scientific point of view, the objectives of the thesis were twofold: on the one hand, our objective was to improve our understanding of the genesis of crystalline textures during the deposit of a metal alloy by SLM; On the other hand, we aim to evaluate the consequenc es of these textures on the propagation of the ultrasound waves which are traditionally used in CND. From a more practical point of view, the question that arose at the beginning of the thesis was: does the elastic anisotropy of propagation of ultrasound linked to the crystalline texturing produced by the SLM process require a review of the protocol of non-destructive control by ultrasound?