Modélisation des microstructures de solidification de l'acier 316L élaboré par fabrication additive

Modelisation of solidification's microstructures of 316L steel produced by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Raphaël Engel
• Direction : Frédéric Deschaux-Beaume, Cyril Bordreuil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 27/03/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Aubin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Colin, Olivier Fandeur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Morgan Dal, Joël Alexis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Solidification rapide

Microstructure (physique)

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Lbm

Cafe

Microstructure

Solidification

316l

Additive manufacturing

Lbm

Cafe

Microstructure

Solidification

316l

Résumé

Le modèle de simulation numérique appelé CA-FE, permet de simuler la structure de grains obtenue lors du procédé de fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF). Le modèle CA-FE chaîne deux calculs : la simulation des champs de températures au cours du procédé par Éléments Finis (FE : Finite Element), puis de la solidification des grains cristallographiques par Automates Cellulaires (CA : Cellular Automaton). Des résultats expérimentaux réalisés avec une poudre en acier 316L viennent en parallèle enrichir le programme et valider les résultats obtenus. Le programme développé est ainsi capable de simuler différents montages multicordons en acier 316L. Il a été testé pour simuler la fabrication de montages en « murs », fabriqués par la superposition de monocordons réalisés dans les différentes couches de poudre déposées. L’objectif est d’observer l’influence sur la microstructure de paramètres du procédé : les paramètres du laser (puissance, vitesse), et les paramètres géométriques (épaisseur de couche, nombre de cordons). Des montages ont été fabriqués à l’ENSAM/PIMM lors d’une campagne d’essai et ont été simulés en utilisant les mêmes paramètres. La comparaison expérimental/numérique révèle des résultats assez proches, les grains cristallographiques croissent de manière colonnaire et sont orientés dans la direction de fabrication. Nous observons aussi un grossissement des grains avec le nombre de couches. Il est donc possible de valider le programme pour des cas simples de murs.En parallèle, l’influence de la poudre a été étudiée en utilisant une seconde poudre en 316L fabriquée par la société PRAXAIR, poudre atomisée à l’argon dont la composition change légèrement par rapport à la première poudre utilisée. Des montages en « murs » ont été réalisés dans les mêmes conditions que ci-dessus. Des structures de grains équiaxes ont été observées sur ces murs. Pour pouvoir simuler les structures granulaires obtenues avec cette seconde poudre, un modèle de germination a été ajouté dans le programme CA-FE. Les murs alors obtenus par simulation ont des structures de grains proches de l’équiaxe.

A numerical simulation model named CA-FE, allows simulating grain structure obtained during the additive manufacturing process call laser powder bed fusion (L-PBF). The CA-FE model links two calculus: temperature field simulation during the process with Finite Elements (FE), then crystallographic grain solidification with Cellular Automaton (CA). Experimental results run in parallel to enrich the program and validate the obtained results. The developed program is thus able to simulate different multi-layer arrangements. It has been tested to simulate manufacturing of “wall” arrangements obtained by the superposition of monocords made in the different layers of deposited powder. The goal is to observe influence of process parameters on microstructure: laser parameters (power, speed), and geometrical parameters (layer thickness, number of ropes). The walls samples were manufactured at ENSAM/PIMM, and were simulated using the same parameters. Experimental/numerical comparison revealed similar results, with grains growing in a columnar way and oriented along the building direction. We observe also an enlargement of grains with number of layers. It is possible to validate the program for simple wall cases.Simultaneously, the influence of the powder was studied using a second 316L powder manufactured by the company PRAXAIR, an argon-atomized 316L powder with varying composition compared to the first powder. Walls samples were manufactured under the same conditions as mentioned above. Equiaxed grains structures were observed on these walls. To be able to simulate the granular structures obtained with this second powder, a germination model was added to the CA-FE program. The resulting walls obtained by simulation exhibit grain structures close to equiaxed.