Design de nouveaux alliages d'aluminium pour la fabrication additive

Design and optimisation of new aluminum alloys for additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Tristan Lenoir
• Direction : Guilhem Martin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Fabrication additive

Alliages d'aluminium

Microstructure

Propriétés

Additive manufacturing

Aluminum alloys

Microstructure

Properties

Résumé

L'objectif de la thèse est double. Il s'agira d'abord de clarifier les mécanismes à l'origine des verrous métallurgiques qui freinent le développement industriel des alliages de 1ère génération comme l'alliage HT1. La compréhension fondamentale de ces mécanismes doit ensuite permettre de lever ces verrous par des stratégies utilisant le procédé (préchauffage du substrat de fabrication, modification de l'épaisseur de couches) ou des stratégies utilisant la métallurgie (définition de guidelines permettant le développement d'alliages de 2ème génération). D'un point de vue académique, le travail de thèse devrait permettre de répondre aux questions scientifiques suivantes : - Quels sont les mécanismes mis en jeu dans le phénomène de fissuration à l'état solide qui se manifeste parfois dans certaines géométries de pièces en alliage HT1 ? Quels sont les descripteurs microstructuraux adéquates pour rendre compte de la sensibilité ou au contraire de la résistance à ce type de fissuration encore méconnu aujourd'hui ? - Quels sont les mécanismes de déformation et d'endommagement mis en jeu lors de la déformation à chaud de l'alliage HT1 sachant que le caractère hiérarchique des microstructures engendre très certainement l'activation de mécanismes différents d'une zone à une autre ? - Peut-on définir de nouveaux critères de design d'alliages susceptibles de guider la conception des alliages de 2ème génération ? D'un point de vue industriel, cette thèse s'inscrit en support de projets applicatifs dont le but est de démontrer l'intérêt de ces nouveaux alliages dans certains secteurs tels que le transport. Pour cela, il est crucial de démontrer que ces alliages répondent bien aux cahiers des charges en termes de propriétés mais aussi surtout qu'ils permettent d'accéder à des géométries complexes pour tirer pleinement avantage des avantages de la fabrication additive. Cela demande de lever les verrous métallurgiques décrits précédemment et qui freinent leur utilisation industrielle à plus grande échelle. Il s'agit de ne plus se contenter de démonstrateurs mais d'aller faire la fabrication de pièces à hautes valeurs ajoutées à échelle industrielle. Enfin, la définition de nouvelles compositions qui seraient plus robustes car moins sujettes aux problématiques évoquées, constitueraient un avantage considérable par rapport à la concurrence.

The objective of the thesis is twofold. Firstly, we will attempt to clarify the mechanisms at the origin of the metallurgical locks that slow down the industrial development of 1st generation of Al alloys such as the HT1 alloy developed by Constellium. The fundamental understanding of these mechanisms should then allow the removal of these barriers based (i) on strategies using the process (preheating of the fabrication substrate, modification of the layer thickness), or (ii) on strategies using metallurgy (definition of guidelines allowing the development of 2nd generation alloys). From an academic point of view, this work should allow to tackle the following scientific questions: - What are the mechanisms involved in the phenomenon of solid state cracking that sometimes occurs in certain geometries of HT1 alloy parts? What are the adequate microstructural descriptors to account for the sensitivity or, on the contrary, the resistance to this type of cracking, which is still unknown today? - What are the deformation and damage mechanisms involved in the hot deformation of HT1 alloy, knowing that the hierarchical character of the microstructures certainly leads to the activation of different mechanisms from one zone to another? - Can we define new alloy design criteria that could guide the design of 2nd generation alloys? From an industrial point of view, this thesis supports application projects whose aim is to demonstrate the interest of these new alloys in certain sectors such as transport. For this, it is crucial to demonstrate that these alloys meet the specifications in terms of properties but also that they allow access to complex geometries to take full advantage of the benefits of additive manufacturing. This requires the removal of the metallurgical locks described above, which are holding back their industrial use on a larger scale. It is no longer enough to be satisfied with demonstrators but to manufacture high value-added parts on an industrial scale. Finally, the definition of new compositions that would be more robust because less subject to the problems mentioned, would constitute a considerable advantage over the competition.