Soutenance de thèse Edouard CHAUVET le 20/11/2017

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Résumé :
Aujourd’hui, la fabrication additive de pièces métalliques par le
procédé EBM (fusion sélective par faisceau d’électrons) concerne
essentiellement les alliages de titane et les alliages cobalt-chrome.
Une forte demande du secteur aéronautique pousse à étudier la
possibilité d'étendre les champs d’application de ce nouveau procédé
d'élaboration à d'autres matériaux à haute valeur ajoutée, notamment
les superalliages base Nickel.
Après la caractérisation des poudres et la description des
particularités du procédé EBM (mise en œuvre, paramètres, thermique…),
ce travail s'est attaché à développer une méthodologie permettant de
structurer l’utilisation d’un nouveau matériau par  EBM. Cette
méthodologie a dans un premier temps été validée sur un superalliage
base Nickel soudable: l'inconel 625.
La mise en œuvre d’un superalliage non-soudable a révélé une
problématique de fissuration à chaud. Une partie du travail de thèse a
été consacrée à la compréhension de l'origine de la fissuration à
partir de caractérisations microstructurales multi-échelles. L'étude
de la genèse des microstructures et des défauts hérités de la
fabrication a permis de proposer des règles de fabrication afin de
limiter, et même d'éviter complètement la fissuration. Une adaptation
des paramètres opératoires et des stratégies de fusion lors du procédé
EBM est utilisée pour générer des microstructures présentant des
structures de grains différentes allant de structures équiaxes jusqu'à
la fabrication de monocristaux en passant par des structures
colonnaires de différentes tailles.
Le couplage entre un modèle de solidification prédisant la transition
colonnaire-équiaxe et des simulations éléments finis permettant de
quantifier les gradients thermiques et les vitesses de solidification
a permis d’établir des liens entre les paramètres procédé et les
microstructures résultantes.

Mots-clés : Fabrication additive, EBM, Superalliages, Fissuration à
chaud, Transition colonnaire-équiaxe, Monocristal, Film liquide.

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Abstract of the thesis:

Over the last decade, new processing routes based on additive
manufacturing (AM) have emerged. Among the AM processes, Electron Beam
Melting (EBM) was mainly dedicated to the fabrication of components
made of titanium or chromium-cobalt alloys. Aeronautic industry has
been a driving force to investigate the possibility to extend the EBM
process to other materials and in particular to Ni-based superalloys.
The first objective of this work was to develop a methodology to
rationalize the use of a new material in the EBM machine. This can be
achieved by studying the main characteristics of the EBM process:
powder requirements, melting parameters and strategies, thermal
aspects.... The methodology was first validated on a weldable Ni-based
superalloy: the Inconel 625 grade.
The methodology was then extended to the fabrication of a non-weldable
Ni-based superalloy, i.e. a grade containing a large fraction of the
γ' strengthening phase. Processing such non-weldable superalloys by
EBM usually induced cracks in the fabricated components. The
microstructures were characterized in order to identify the mechanism
at the origin of the cracks. Understanding the mechanism responsible
for the development of cracks has allowed to propose new melting
strategies limiting or completely avoiding the formation of cracks.
Adjusting melting parameters and strategies turns out to be an
efficient way for tailoring the grain structure. Equiaxed grains,
columnar grains with different sizes as well as single crystals can
thus be generated with suitable process parameters.
Finally, coupling a solidification model predicting the
equiaxed/columnar transition and finite element calculations
quantifying the magnitude of the thermal gradient and solidification
velocity allowed to establish some links between microstructures and
EBM melting parameters.

Keywords: Additive manufacturing, EBM, Superalloys, Hot cracking,
Columnar to equiaxe transition, Single-crystal, Liquid film.