Thèse de doctorat

Jocelyn DELAHAYE

Jeudi 8 septembre 2022 à 13h30



Comment alimenter et valider un modèle de champ de phase prédisant l'évolution de microstructures et propriétés dans l'AlSi10Mg fabriqué par fusion laser sélective

Résumé

L’AlSi10Mg produit par fusion sélective par laser (SLM) présente une microstructure hors d’équilibre en raison de la solidification rapide. Cette microstructure est composée de cellules submicroniques d’Al-α entourées d’un mélange eutectique de précipités de Si dans une matrice en Al. La solidification rapide induit également une teneur étendue de Si en solution solide à l’intérieur des cellules d’Al. Les atomes de Si en solution solide ainsi que les fins précipités de Si contribuent à la résistance élevée et aux propriétés thermophysiques du AlSi10Mg SLM, notamment sa faible conductivité thermique. De plus, la microstructure et les propriétés qui lui sont associées dépendent des paramètres de fabrication.

La microstructure est profondément affectée lorsqu’elle est soumise à un champ thermique. Cela peut se produire soit (i) localement en raison de l’apport de chaleur accompagnant le dépôt d’une nouvelle couche, soit (ii) dans la masse par l’effet de la température du plateau de fabrication, soit (iii) lors de post-traitements. À basse température, le Si en solution solide a tendance à précipiter dans les cellules d’ Al-α tandis qu’à température intermédiaire ou élevée, les précipités de Si préexistants dans l’eutectique grossissent. En conséquence, la résistance et les propriétés thermo-physiques de l’alliage s’en trouvent modifiées. La présente thèse a donc pour but d’étudier l’impact de ces paramètres procédé sur l’évolution de la microstructure et les propriétés de traction et thermophysiques associées de l’AlSi10Mg SLM.   

Dans un premier temps, des caractérisations microstructurales et des essais de traction sont réalisés pour étudier l’influence de la puissance du laser, de la vitesse de balayage et de la température du plateau de fabrication. À partir des données recueillies, la zone de rupture préférentielle en traction est identifiée et un modèle de durcissement reliant la microstructure et les propriétés en traction est développé. Ensuite, des modèles thermiques du procédé SLM validés par des expériences et capables de reproduire la microstructure brute de fabrication sont utilisés pour extraire l’histoire thermique dans la zone de rupture préférentielle. Les propriétés thermo-physiques sont nécessaires comme entrées dans ces modèles. Pendant leurs mesures, la microstructure subit des transformations qui affectent en retour les propriétés thermophysiques mesurées. Pour répondre à la limitation du dispositif expérimental, les propriétés thermo-physiques hors équilibre du AlSi10Mg SLM sont calculées à l’aide d’un modèle CALPHAD (calcul des diagrammes de phase). Enfin, un modèle de champ de phase suivant la cinétique de nucléation, de croissance et de grossissement des précipités de Si est développé et validé par rapport à l’expérience. Le modèle est appliqué à l'étude de l’effet de la température de la plateforme de fabrication sur l’évolution de la microstructure du AlSi10Mg SLM.   

Ce travail de thèse a permis de développer un cadre pour prédire l’évolution de la microstructure et les propriétés thermophysiques et de traction associées du AlSi10Mg SLM soumis à n’importe quelle condition de fabrication ou post-fabrication.

Membres du jury

  • L. DUCHENE, Université de Liège, Président ;
  • Mme A. MERTENS, Université de Liège, Promotrice ;
  • Mme A. HABRAKEN, Université de Liège, co-Promotrice ;
  • P. DUYSINX, Université de Liège ;
  • A. ROLLETT, Carnegie Mellon University (USA) ;
  • B. APPOLAIRE, Institut Jean Lamour (France) ;
  • Mme A. SIMAR, Université Catholique de Louvain.

 

 

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