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Défis technologiques >> Fabrication additive, nouvelles voies d’économie de matériaux
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Intégration de réseaux de Bragg haute température au sein de structures métalliques obtenues par fabrication additive

Département Métrologie Instrumentation et Information (LIST)

Laboratoire Capteurs Fibres Optiques

Master 2 Instrumentation, fibre optique, matériau, fabrication additive, métallurgie

01-10-2020

SL-DRT-20-0645

guillaume.laffont@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d?économie de matériaux (.pdf)

Le sujet de thèse proposé par le laboratoire LCFO de la DRT (au LIST/DM2I/SCI) en partenariat avec le laboratoire LISL de la DEN (au DPC/SEARS), spécialiste de la fabrication additive métal, vise à développer des méthodes d'intégration de Capteurs à Fibres Optiques à réseaux de Bragg résistant aux très hautes températures au sein de pièces métalliques, en particulier pour l'aéronautique ou l'industrie nucléaire, réalisées en fabrication additive (impression 3D) métal. Des développements récents ont permis de développer des réseaux de Bragg ultra-stables en température (au-delà de 1000 °C) à l'aide de modes d'écriture directe par laser femtoseconde. Ces transducteurs de température et déformation, inscrits dans des fibres optiques spécialement conçues pour les environnements à très haute température, seront utilisés pour l'instrumentation de pièces métalliques obtenues par fabrication additive sur lit de poudre, voire par projection. Ce projet vise à rendre possible la surveillance in situ des composants et pièces structurelles métalliques obtenues par fabrication additive 3D métal, ouvrant ainsi la voie au SHM intégré (Structural Health Monitoring) pour anticiper toute défaillance du procédé et optimiser les coûts d'exploitation par la mise en place de procédures de maintenances prédictive et conditionnelle.

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Contrôle de la microstructure de pièce en fabrication additive par génération et détection d'ultrasons par laser

Département Imagerie Simulation pour le Contrôle (LIST)

Laboratoire Instrumentation et Capteurs

master 2 accoustique, physique

01-01-2020

SL-DRT-20-0757

jerome.laurent2@cea.fr

Fabrication additive, nouvelles voies d?économie de matériaux (.pdf)

La fabrication d'additive (FA) métallique par fusion démontre un fort potentiel toujours croissant, et ceux dans des domaines d'applications très variés. Cependant, les systèmes existants présentent des limitations, en particulier sur la possibilité de pouvoir adapter les microstructures, et également de pouvoir détecter des défauts de fusion en ligne [1]. Pour dépasser ces limitations, il est nécessaire de développer de nouvelles stratégies de fabrication qui pourraient permettre d'adapter les conditions de solidification ainsi que des systèmes de contrôle non-destructif (CND) en ligne. Les procédés FA par projection de poudre (DED) ou encore par fusion laser sélective (SLM) utilisent une source d'énergie localement concentrée, laquelle génère de forts gradients thermiques qui conduisent le plus souvent à des microstructures fortement orientées ainsi qu'une rugosité de surface qui rend le contrôle ultrasonore et l'interprétation des mesures plus délicats. Les microstructures produites sont hors équilibre thermodynamique et sont dites à gros-grains ; elles se caractérisent par l'enchevêtrement de grains colonnaires et équiaxes. Ce type de microstructure influence à la fois le comportement mécanique, mais aussi la propagation d'ondes élastiques, puisque les dimensions de ces hétérogénéités sont proches des longueurs d'ondes acoustiques, ce qui a pour effet l'atténuation et la diffusion d'ondes. Un des défis majeurs à relever en fabrication additive consiste à réduire/empêcher la formation de grains colonnaires au cours de la fabrication, car leurs présences au sein de la microstructure sont, le plus défavorable pour les propriétés d'usage. En contrôlant les conditions thermiques pendant la solidification / cristallisation (vitesse de refroidissement, gradients de température) il est a priori possible de favoriser partiellement la formation de grains équiaxes. Il est aussi connu, qu'en insonnifiant un métal en fusion à l'aide d'ultrasons de forte intensité, il est possible de réaliser un « raffinement des grains », ou encore d'engendrer des phénomènes de cavitation, d'écoulements, de mélange, de pulvérisation, de dislocation, de diffusion et de transformation de phase [2]. En effet, lorsqu'un métal en fusion est soumis à une vibration élastique, il est a priori possible de « piloter » la structure de grains solidifiée, i.e. de modifier la direction de croissance et morphologie de la microstructure en cours de solidification. En perturbant ainsi les conditions de la solidification, alors, il est a priori envisageable de favoriser la formation de grains équiaxes, mais aussi de réduire la rugosité de surface, diminuer le nombre de défauts. Ce constat pose l'objectif de cette thèse qui vise à « façonner » des microstructures plus optimales en FA par vibration du bain de fusion et réaliser une inspection en ligne et hors ligne par méthode ultrasons-laser (UL). D'une part, le travail consistera à contrôler l'évolution microstructurale de pièce FA par vibration sans contact du bain de fusion (au CEA-DEN-LISL [3]). Ainsi, on cherchera à modifier les dynamiques du bain de fusion, par exemple perturbant l'effet Marangoni et déstabilisant la croissance dendritique dans la zone de solidification, à l'aide d'ondes élastiques induites par laser modulé ou impulsionnel. L'étude des paramètres de contrôle sera réalisée sur un banc d'essai à développer et instrumenter (caméras rapide, thermique ou Schlieren, et pyromètres) pour engendrer des « microstructures optimisées ». D'autre part, le travail (au CEA-DRT-LIST-LIC) consistera à inspecter en ligne la fabrication de tels échantillons par méthode UL (développement d'un système dédié). Ainsi, on cherchera à générer et détecter des ultrasons par laser dans le bain de fusion, pour suivre, par exemple, l'évolution du front de solidification, l'apparition de keyhole, la pénétration optique, etc. à l'aide des précurseurs acoustiques [4]. Des mesures de caractérisations ultrasonores, dans des conditions de laboratoires, seront également réalisées afin de déterminer les propriétés élastiques par UL en régime thermoélastique [5], que ce soit à l'aide d'ondes de surface ou des résonances ZGV (coefficient de Poisson locale, anisotropie, épaisseur), et autres méthodes CND disponible au LIST, que l'on pourra ensuite comparer aux images EBSD (méthode d'homogénéisation) et coupes métallurgiques. Des simulations par FDTD ou EF de la propagation d'ondes dans ces milieux rugueux et hétérogènes sera aussi envisagé. Références : [1] Zhao et al, Phys. Rev. X, 9, 02052, (2019), Wolff et al, Sci. Rep., 9, 962, (2019), Martin et al., Nat. Com., 10, 1987, (2019), Wei, Mazumder & DebRoy, Sci. Rep., 5, 16446, (2015). [2] G. I. Eskin & D. G. Eskin, ?Ultrasonic melt treatment of light alloy melts', 2nd edn, Boca Raton, FL, CRC Press, (2014), M. C. Flemings, ?Solidification processing', McGraw-HilI press, (1974), T.T. Roehling et al., Acta Materialia 128, 197, (2017), M.J. Matthews et al., Optics Express 25, 11788, (2017). [3] P. Aubry et al., J. Laser Appl., 29(2), (2017). [4] Walter & Telschow, QNDE, 15, (1996), Walter, Telschow & Haun, Proc COM, (1999), Carlson and Johnson, WJ, (1998), He, Wu, Li & Hao, Appl. Phys. Lett., 89, (2006). [5] Clorennec, Prada & Royer, Murray, Appl. Phys. Lett., 89, (2006), Laurent, Royer & Prada, Wave Motion 51(6), (2014), Laurent, Royer, Hussain, Ahmad & Prada, J. Acoust. Soc. Am. 137(6), (2015). Laboratoire d'Ingénierie des Surfaces et Lasers (LISL) Laboratoire Instrumentation et Capteurs (LIC)

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