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Intégration des propriétés des microstructures générées par fabrication additive dans les modèles de prédiction de la durée de vie en fatigue/Integration of the microstructure properties generated by additive manufacturing in HCF life prediction models

" Intégration des propriétés des microstructures générées par fabrication additive dans les modèles de prédiction de la durée de vie en fatigue"

Directeur de thèse : Nicolas SAINTIER (I2M, UMR 5295 - INSIS)
Co-directeur de thèse : Anis HOR (ICA, UMR 5312 - INSIS)
Co-encadrant de thèse : Benoît MALARD (CIRIMAT, UMRS 5085 - INC)

Malgré le développement exponentiel des procédés de FA, un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques freinent l’industrialisation des procédés de FA pour la production de pièces en série, notamment dans le domaine aéronautique. Les pièces produites présentent en effet un comportement mécanique et des propriétés encore mal maîtrisées du fait des nombreux paramètres procédés. En effet, les méthodes de FA telles que les procédés SLM et DED sont des procédés complexes qui combinent en une seule étape l’élaboration du matériau et la mise en forme de la pièce. Les procédés engendrent lors de la fabrication d’importantes variations locales de température et de forts gradients thermiques, et impliquent des vitesses de refroidissement extrêmement élevées (105-107 °C/s) qui produisent des microstructures hétérogènes et hors équilibre, ainsi que des contraintes résiduelles élevées. Ces gradients de température conduisent, également, à des phénomènes d’interface tels que l’oxydation et le piégeage d’oxygène. La durée de vie des pièces qui en découlent diffèrent ainsi souvent significativement des pièces obtenues avec des procédés conventionnels, et le manque de données dans la littérature scientifique du fait du développement récent des procédés rendent difficile l’interprétation des liens procédés-matériau-durée de vie propres à chaque matériau.

L’objectif de ce projet est d’intégrer explicitement les composants de la microstructure et les propriétés de la surface dans les modèles de prédiction de la durée de vie en fatigue des pièces issues de la FA. Cette étude contribuera, à plus long terme, à établir un lien direct entre les paramètres procédés et la tenue mécanique de la pièce. Deux procédés sont concernés : le SLM et le DED.

Pour atteindre ces objectifs, nous associons les compétences du CIRIMAT dans la caractérisation fine des matériaux et de leurs mécanismes de déformation (microscopie, DRX, synchrotron, …) aux compétences de l’ICA dans la compréhension et la modélisation empirique des liens procédé de fabrication / comportement en fatigue. Le savoir-faire de l’I2M en modélisation multi-échelle est nécessaire pour mettre en place des modèles de durée de vie en fatigue intégrant les propriétés microstructurales et les mécanismes identifiés précédemment.

Ce projet peut être divisé en quatre étapes :
-  Caractérisation multi-échelle des microstructures générées par les deux procédés
-  Caractérisation de la durée de vie en fatigue des pièces issues de deux procédés
-  Analyse des champs de contraintes inter et intra-granulaires
-  Modélisation multi-échelle de la durée de vie en fatigue

Les candidats doivent être titulaires d’un diplôme d’ingénieur ou d’un master en science des matériaux. Des connaissances dans le domaine de la modélisation mécanique ainsi qu’un goût certain pour la caractérisation microstructurale et mécanique dans les alliages métalliques sera grandement apprécié.

Mots-clés : microstructure, contraintes résiduelles, fabrication additive, fatigue, modélisation multi-échelle.

Financement : bourse CNRS 80|PRIME

Date de début : octobre 2019

Localisation : la personne recrutée effectuera des séjours dans les trois laboratoires entre Toulouse et Bordeaux. Les 18 premiers mois seront localisés à Toulouse (ICA et CIRIMAT) et les 18 derniers mois à Bordeaux (I2M-ENSAM)

Candidature à envoyer à l’équipe d’encadrement :
-  Pr. Nicolas Saintier, nicolas.saintier ensam.eu
-  Dr. Anis Hor, anis.hor isae-supaero.fr
-  Dr. Benoit Malard, benoit.malard ensiacet.fr


"Integration of the microstructure properties generated by additive manufacturing in HCF life prediction models"

Director : Nicolas SAINTIER (I2M, UMR 5295 - INSIS)
Co-director : Anis HOR (ICA, UMR 5312 - INSIS)
Co-supervisor : Benoît MALARD (CIRIMAT, UMRS 5085 - INC)

Despite the exponential development of additive manufacturing (AM) processes, a number of scientific and technological obstacles are hindering their industrialisation for the production of serial parts, particularly in the aeronautics sector. The parts produced exhibit mechanical behaviour and properties that are still poorly controlled due to the large number of process parameters. Indeed, AM methods such as selective layer melting (SLM) and directed energy deposition (DED) are complex processes that combine in a single step the elaboration of the material and the shaping of the part. The processes generate large local temperature variations and thermal gradients during manufacturing, and involve extremely high cooling rates (105-107 °C/s) that produce heterogeneous and unbalanced microstructures, as well as high residual stresses. These temperature gradients also lead to interface phenomena such as oxidation and oxygen trapping. The service life of the resulting parts thus often differs significantly from those obtained with conventional processes, and the lack of data in the scientific literature due to recent process development makes it difficult to interpret the process-material-life relationships specific to each material.

The objective of this thesis project is to explicitly integrate microstructure components and surface properties in modelling for predicting the high cycle fatigue strength of parts produced by AM. This study will contribute, in the longer term, to establishing a direct link between process parameters and the mechanical strength of the parts. Two processes are involved : SLM and DED. This thesis work can be divided into four stages :
1. Multi-scale characterization of microstructures generated by both processes and adequate heat post treatments. The data obtained will be used to feed numerical models developed in fourth step
2. Characterization of the fatigue life of materials obtained from two processes
3. Determination of the inter and intra-granular stress fields. The results obtained in this section will be used to validate the theory used in the numerical models developed in the following section
4. Multiscale fatigue life modeling

From a collaborative point of view, this project combines CIRIMAT’s expertise in materials characterization by X-ray diffraction and neutron and synchrotron radiation (B. Malard) to explore fatigue deformation mechanisms through volume and surface stress field measurements. The ICA’s expertise in characterizing process interaction/fatigue behaviour (A. Hor) complements the I2M’s expertise in multi-scale modeling in high cycle fatigue (N. Saintier) to implement fatigue design criteria that are sensitive to microstructure variability and take into account surface properties.
Candidates must have an engineering degree or a master’s degree in materials science. Knowledge in the field of mechanical modeling as well as a strong interest in microstructural and mechanical characterization in metal alloys will be greatly appreciated.

Starting dates : October 2019

Salary : CNRS 80|PRIME bourse

Location : the recruited person will spend time in the three laboratories between Toulouse and Bordeaux. The first 18 months will be located in Toulouse (ICA and CIRIMAT) and the last 18 months in Bordeaux (I2M-ENSAM)

Contacts :
Prof. Nicolas SAINTIER (Nicolas.SAINTIER ensam.eu) ;
Dr. Anis HOR (anis.hor isae-supaero.fr)
Dr. Benoît MALARD (benoit.malard cirimat.fr)