Sciences et génie des matériaux

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

PEYRE Patrice

Centre des Matériaux

26/09/2023

Fabrication Additive, Laser, microstructures, composites à matrice métallique

Additive Manufacturing, Laser, Microstructures, Metal Matrix Composites

Dans le cadre du développement de matériaux métalliques à hautes performances, les procédés de fabrication additive présentent un avantage certains dans la possibilité d'élaborer directement des géométries complexes tout en assurant de bons états microstructuraux et mécaniques. Dans ce contexte général, l'étude proposée consiste à optimiser la mise en œuvre d'un composite à matrice acier 16NCD13 + renforts céramiques particulaires TiC, par deux techniques laser (fusion de poudre projetée DEDp et fusion lit de poudre LPBF), à étudier et comprendre les microstructures formées, puis à caractériser les propriétés mécaniques résultantes. La thèse se déroulera à la fois au laboratoire PIMM des Arts et Métiers (75013 Paris) et au Centre des Matériaux de l'Ecole des Mines (91100, Evry).

Additive manufacturing processes allow the manufacturing of complex geometries while ensuring good microstructural and mechanical properties. In this general context, the proposed study consists in optimizing the implementation of a composite steel matrix (16NCD13) reinforced by ceramic particles (TiC) by means of two laser techniques (Direct energy deposition and Laser powder bed fusion). The objectives are to study and to understand the resulting microstructures and to characterize the resulting mechanical properties. The thesis will take place both at the PIMM laboratory of Arts et Métiers (75013 Paris) and at the Centre des Matériaux of the Ecole des Mines de Paris (91100, Evry).

Les procédés de fabrication additive, et en particulier ceux utilisant des lasers (DEDp et LPBF), permettent de repousser les limites en complexité des pièces fabricables, tout en autorisant la mise en œuvre d'une large gamme de matériaux, homogènes ou hétérogènes. Au sein des matériaux multiphasés, les composites à matrice métallique (CMM) et renforts céramiques ont acquis une certaine maturité et présentent un réel intérêt pour les propriétés mécaniques à haute température, la résistance tribologique et les capacités d'allègement entre autres. Les procédés usuels pour fabriquer ces CMM étant encore longs et coûteux (fonderie, Cold & Hot Isostatic Pressing, frittage), les technologies de fabrication additive par laser possèdent un réel intérêt. Si les CMM à matrice aluminium possèdent une certaine maturité [1], ce n'est pas le cas d'autres matrices (base titane, fer) pour lesquelles les choix de renforts particulaires compatibles avec une mise en œuvre sans défaut ne sont pas encore totalement acquis [2, 3]. Or, pour ces familles d'alliages, largement utilisées dans le secteur aéronautique pour leurs propriétés spécifiques, un gain de performances est également attendu pour diverses applications en service.
La technique de projection laser ou Direct Energy Deposition with powder (DEDp) [4, 5] doit permettre d'élaborer des objets en CMM à gradient de renforts afin d'ajuster les propriétés visées aux diverses parties d'une pièce. Ainsi, on visera un faible taux de renfort dans les zones où une bonne tolérance aux dommages est recherchée et un taux élevé de renfort dans les zones dimensionnées en rigidité (haut module) ou devant résister à l'usure (haute dureté). A contrario, le procédé lit de poudre Laser Powder Bed Fusion (LPBF) [5] permet difficilement de générer des pièces à gradients de renforts, mais assurera une complexité géométrique supplémentaire aux CMM par rapport au DEDp.

Directeur de thèse: Patrice Peyre (ENSAM)
Christophe Colin (Centre des Matériaux)
Sylvain Dépinoy (Centre des Matériaux)
Zehoua Hammouche (MCF CNAM)

Ingénieur et/ou Master Recherche – Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Adaptabilité. Goût pour la Recherche.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Bonnes connaissances en science des matériaux - métallurgie et en procédés d'élaboration
La connaissance des procédés de fabrication additive par laser est un plus


Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Typical profile for a thesis at Mines Paris :
Engineer and/or Research Master – Good level of general and scientific culture. Good level of practice of French and English (level B2 or minimum equivalent). Good analysis and synthesis, innovative and communication skills. Adaptability. Taste for Research.

Prerequisite (specific skills for this thesis):
Good knowledge of materials science - metallurgy and production processes. A first experience with laser additive manufacturing processes would be appreciated.



Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Le but du sujet de thèse, mené conjointement au laboratoire PIMM (Arts et Métiers, Paris), et au Centre des Matériaux (Mines, Evry), dans le cadre du GIS HEAD est de pouvoir : (1) élaborer des pièces en composites à matrice métallique 16NCD13 + TiC (CMM) au plus près des côtes, par des procédés additifs (fusion laser sur lit de poudre LPBF et projection laser DEDp) avec des taux de renforts variables et/ou des gradients de renfort (facilement réalisables par projection laser), (2) caractériser les microstructures (MEB, MET, EBSD, DRX) des alliages élaborés en lien avec les conditions d'élaboration, (3) caractériser les propriétés mécaniques à différentes échelles.
Il répond à différents enjeux scientifiques et technologiques parmi lesquels :
- Repousser les limites des taux de renforts acceptables sans fissuration lors de la mise en œuvre des procédés DEDp et L-PBF
- Maîtriser les effets d'un chauffage additionnel permettant de limiter la fissuration [5]
- Assurer une répartition homogène des renforts
- Comprendre les effets microstructuraux associés à la diffusion du carbone dans la matrice (cémentation interne) en cours de procédé, étudier les effets d'interface renforts/matrice, quantifier et analyser l'état de précipitation en fonction du procédé.
Pour répondre à ces objectifs, le projet de thèse est divisé en deux volets. Le premier est centré sur la mise en œuvre instrumentée des procédés (DEDp et LPBF) sur les machines du PIMM et du CdM et leur optimisation pour la fabrication du CMM 16NCD13/TiC. Le second volet concerne une caractérisation microstructurale et mécanique avancée.

[1] S.T. Mavhungu et al., Aluminum Matrix Composites for Industrial Use: Advances and Trends, Procedia Manufacturing, Volume 7, 2017, Pages 178-182
[2] K. Dorhmi, Z. Hamouche et al. Experimental study and micromechanical modelling of the effective elastic properties of Fe-TiB2 composites, Composite Structures, 272 (2021), https://doi-org.rp1.ensam.eu/10.1016/j.compstruct.2021.114122
[3] B. Al Mangour et al. In-situ formation of novel TiC-particle-reinforced 316L stainless steel bulk-form composites by selective laser melting, Journal of Alloys and Compounds, Volume 706, 5 June 2017, Pages 409-418
[4] S. Pouzet, Thèse Ensam, Fabrication additive de composites à matrice titane par fusion laser de poudre projetée (2015), http://www.theses.fr/2015ENAM0051
[5] G. Bidron, A. Doghri, T. Malot, F. Fournier-dit-Chabert, M. Thomas and P. Peyre, Reduction of the hot cracking sensitivity of CM-247LC superalloy processed by laser cladding using induction preheating, Journal of Materials Processing Technology, 2020, 277, pp.116461, 10.1016/j.jmatprotec.2019.116461

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