VERS UNE MAITRISE DU LIEN POUDRE-MICROSTRUCTURE EN FUSION LASER SUR LIT DEPOUDRE DE L'ACIER 316L (LPBF) // Mastering the link powder-microstructure in laser powder bed fusion of the 316L austenitic stainless steel

Longtemps confiné à du prototypage rapide, la fabrication additive métallique LPBF (Laser Powder Bed Fusion) a fait d'important progrès ces dernières années, à tel point que des pièces issues de ce procédé sont aujourd'hui en opération dans le cœur de réacteurs nucléaires et que des processus de qualification/codification sont en cours. Malgré ces avancées significatives, le déploiement de cette technologie n'est pas complet puisque la maitrise des variabilités de fabrication et la prédiction des microstructures résultantes doit être encore améliorée. Concernant ce dernier point, le lien entre le choix des poudres et la maitrise des microstructures a fait l'objet de travaux de recherche, voir par exemple les travaux de thèse de A. Chniouel (https://theses.hal.science/tel-02421550) puis de Léo Monier (https://theses.hal.science/tel-04430850) qui ont montré que des microstructures très variées pouvaient être obtenues en fonction du lot de poudre choisi pour l'acier inoxydable austénitique 316L. Cette variabilité microstructurale se traduit avec d'une part une microstructure texturée du point de vue morphologique et cristallographique et d'autre part une microstructure plus fine constituée de grains plutôt équiaxes et peu texturé (voir document joint pour des illustrations). Cette variabilité microstructurale peut, le cas échéant, conduire à des propriétés mécaniques différentes. Ces variabilités, qu'elles soient microstructurales ou mécaniques, limitent aujourd'hui le déploiement de la fabrication additive dans des industries critiques telles que celle de l'énergie nucléaire.
Des travaux récents ont cherché à clarifier l'origine de cette variabilité de microstructures. Différentes hypothèses ont pu être avancées et discutées dans ces différents travaux pour identifier les mécanismes sous-jacents :(i) une germination hétérogène exacerbée par la présence de nano-oxydes, (ii) une organisation du liquide à courte distance, ou encore (iii) la modification de la séquence de solidification conduisant in fine à une structure totalement austénitique. Néanmoins, aucun consensus sur le ou les mécanismes responsables de ces changements microstructuraux existe à ce jour. Les variations des paramètres et stratégies de fabrication, et les variations au niveau de la composition chimique, voire des caractéristiques physico-chimiques des poudres entre les différentes études complexifient d'autant plus les interprétations.

Du point de vue académique, l'objectif principal de ce sujet de thèse consistera à revisiter les hypothèses mis en avant dans les études précédentes afin de déterminer quels sont le ou les mécanismes métallurgiques à l'origine du raffinement de la microstructure. Il faudra ensuite identifier les leviers permettant la maitrise des microstructures via le contrôle de la composition chimique et/ou des paramètres procédés. Un objectif secondaire consistera à caractériser l'effet de traitements thermiques (TTH) sur l'évolution de paramètres clés de la microstructure « as-built » tel que la texture, la taille de grain, la densité de dislocation, et les microségrégations.

Du point de vue industriel, il s'agira de reconsidérer les spécifications des lots de poudres, notamment au niveau de la composition chimique afin de limiter au maximum la variabilité des microstructures et des propriétés résultantes.
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Long confined to rapid prototyping, laser powder bed fusion (LPBF) metal additive manufacturing has made significant progress in recentyears. Parts made by the process are now in service in nuclear reactor cores and qualification/codification processes are underway.

Despite these significant advances, the technology is not yet fully exploited and the control of manufacturing variability and the prediction of the resulting microstructures need to be improved. On this last point, the link between the choice of powders and the control of microstructures has been the subject of research, see for example the work of A. Chniouel (https://theses.hal.science/tel-02421550) and Léo Monier (https://theses.hal.science/tel-04430850), who have shown that a wide range of microstructures can be obtained for the austenitic 316L stainless steel depending on the batch of powder. This microstructural variability results in a morphologically and crystallographically textured microstructure on the one hand, and a finer microstructure consisting of more equiaxed grains with a reduced texture on the other (see attached document for illustrations). This microstructural variability may result in different mechanical properties.This variability, whether microstructural or mechanical, is currently limiting the use of these new technologies in the nuclear industry.
Recent work has attempted to clarify the origin of this microstructural variability. Various hypotheses have been proposed and discussed to identify the underlying mechanisms: (i) heterogeneous sprouting exacerbated by the presence of nano-oxides, (ii) short-range order in the liquid, or (iii) modification of the solidification sequence leading ultimately to a fully austenitic structure. However, to date there is no consensus on the mechanism(s) responsible for these microstructural changes. Variations in manufacturing parameters and strategies, as well as variations in the chemical composition and even the physico-chemical properties of the powders between the different studies, add to the complexity of the interpretations.

From an academic point of view, the main objective of this thesis will be to revisit the hypotheses put forward in previous studies in order to determine the metallurgical mechanism(s) responsible for microstructure refinement. It will then be necessary to identify the levers that can be used to control microstructures by controlling chemical composition and/or process parameters. A secondary objective will be to characterise the effect of heat treatments (TTH) on the evolution of key parameters of the as-built microstructure, such as texture, grain size, dislocation density and microsegregation.

From an industrial point of view, the aim will be to reconsider the specifications of powder batches, particularly in terms of chemical composition, in order to minimise the variability of the resulting microstructures and properties.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Cifre

CIFRE ANRT

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Le (la) candidat(e) doit être titulaire d'un master 2, d'un titre d'ingénieur ou de tout autre cursus équivalent en science des matériaux ou mécanique. Ce travail de thèse sera essentiellement expérimental. Des connaissances en métallurgie sont requises. Une expérience ou des notions en fabrication additive constitue un vrai plus. Le (la) candidat(e) devra prendre des initiatives aussi bien au niveau des procédures expérimentales que dans le traitement des résultats. La capacité à interagir avec l'équipe encadrante coté FRAMATOME et avec le personnel du laboratoire SIMaP est cruciale pour mener un travail collaboratif.
The candidate must have a Master 2, Engineering degree or other equivalent qualification in materials science or mechanics. The work of the thesis will be essentially experimental. Knowledges in metallurgy is required. Experience or knowledge in additive manufacturing is a strong advantage. The candidate will be expected to take initiatives both in experimental procedures and in the analysis of the results. The ability to interact with the FRAMATOME research engineers and the technical staff in the lab is essential for a fruitful collaborative work.