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Caractérisation et modélisation de la microstructure 3D des superalliages à base nickel.

ABG-87162 Sujet de Thèse
23/08/2019 > 25 et < 35 K€ brut annuel
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MINES ParisTech
Valbonne – Sophia Antipolis - Provence-Alpes-Côte d'Azur - France
Caractérisation et modélisation de la microstructure 3D des superalliages à base nickel.
  • Sciences de l’ingénieur
Microstructure polycristalline, Agrégat de grains, Précipitation, Recristallisation et Croissance de Grains, Plasticité Cristalline, Superalliages, Aéronautique.

Description du sujet

Contexte et objectifs du projet :
  Caractérisation et modélisation de la microstructure 3D des superalliages à base nickel La chaire industrielle TOPAZE, co-financée par l’ANR et le groupe SAFRAN, porte sur la maîtrise des microstructures et propriétés mécaniques des superalliages à base nickel employés dans les moteurs d’avion et d’hélicoptère de nouvelle génération. Ces matériaux sont employés pour la fabrication de pièces de turboréacteurs en raison de leur tenue mécanique à haute température. L’amélioration des performances de ces alliages permettra d’élever la température de fonctionnement des moteurs et d’en améliorer le rendement, contribuant ainsi à la réduction du coût énergétique et de l’impact écologique du transport aérien. Ce projet fait suite à la chaire industrielle ANR-SAFRAN OPALE qui s’est déroulée entre 2014 et 2019 (chaire-opale.cemef.mines-paristech.fr). Il réunit les compétences du CEMEF (MINES ParisTech, UMR CNRS 7635) portant sur l’influence du procédé de mise en forme sur la microstructure et celles de l’Institut P’ (ISAE-ENSMA, UPR CNRS 3346) sur l’impact de la microstructure sur les propriétés mécaniques en service. Huit doctorants seront recrutés sur la période 2019-2023 pour aborder des aspects complémentaires. La chaire TOPAZE offre ainsi un cadre de travail collaboratif particulièrement riche.

Travaux de thèse :
  La caractérisation tridimensionnelle (3D) de la microstructure des superalliages à base nickel fournit des informations essentielles pour l’analyse et la modélisation des mécanismes métallurgiques, ainsi que des modes de déformation et d’endommagement siégeant au sein de ces matériaux. Cependant les méthodes de mesure ou reconstruction de microstructures représentatives 3D sont encore récentes et nécessitent des développements spécifiques. Cette thèse vise à produire des jeux de données expérimentales en 3 dimensions représentant les différents attributs microstructuraux des superalliages à base nickel à différentes échelles :
 

L’échelle de la microstructure polycristalline, i.e. l’agrégat de grains, qui doit être constituée d’un nombre de grains représentatif (typiquement plusieurs milliers) dont la taille peut varier de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres. Par ailleurs, celle-ci est caractérisée par une présence importante de macles thermiques. Des analyses à l’échelle intragranulaire pourront être conduites pour évaluer l’écrouissage résiduel issu de la mise en forme ou d’une déformation en service.

L’échelle de la microstructure de précipitation qui est le plus souvent multimodale, avec des tailles de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns, ainsi qu’une répartition spatiale non aléatoire.


Ce travail s’appuiera sur les moyens expérimentaux de microscopie 3D acquis récemment au CEMEF ainsi que sur les codes de simulations numériques de genèse de microstructures développés au CEMEF (chaire-digimu.cemef.mines-paristech.fr). Le comportement mécanique des microstructures reconstruites sera ensuite évalué au moyen des simulations numériques par éléments-finis en plasticité cristalline en s'appuyant sur les travaux de thèse de Marco Panella (Institut P’, en cours) et les formulations existantes au CEMEF. Par ailleurs les outils numériques 3D de modélisation d’évolutions de microstructures (ReX, GG) seront mis à l’épreuve des données 3D obtenues.

Prise de fonction :

01/10/2019

Nature du financement

Financement public/privé

Précisions sur le financement

Présentation établissement et labo d'accueil

MINES ParisTech

Leader mondial dans le domaine des matériaux, des procédés et de leur modélisation, le CEMEF réalise une recherche partenariale avec l'industrie et forme des experts (doctorats et mastère spécialisé).
Pluridisciplinaire, le CEMEF étudie tous les types de matériaux (métaux et alliages métalliques, polymères synthétiques et issus de la biomasse, composites, béton...) et de procédés industriels en s’intéressant aux différentes étapes de la vie du matériau :
élaboration -> mise en forme -> traitements thermiques -> assemblage -> propriétés d'usage -> recyclage
Elément majeur d’innovation, sa compréhension du comportement des matériaux aux différentes échelles, de l'interaction outil-matière, de l’impact des procédés sur les propriétés finales permet l’optimisation et le développement de procédés de fabrication de plus en plus complexes et contraints (technologie, énergie, environnement…).
Il s’appuie sur des approches couplant techniques expérimentales et modélisations numériques
Le CEMEF, c'est plus de 160 ingénieurs, chercheurs, étudiants, techniciens, animés par la même curiosité face à la complexité des phénomènes, la même envie de se dépasser pour agrandir le champ des connaissances, le même goût du défi scientifique.
C’est un centre de recherche de MINES ParisTech, associé au CNRS.

Spécialisations : polymères, bioplastiques, composites, métaux, alliages métalliques, transformation des matériaux, physique, mécanique, thermique, propriétés d'emploi, tenue en service, modélisation numérique, développement logiciel, calcul intensif, surfaces.

Intitulé du doctorat

Doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

MINES ParisTech - PSL

Ecole doctorale

Sciences Fondamentales et Appliquées

Profil du candidat

Formation d’Ingénieur et/ou Master en Métallurgie / Sciences ou Génie des Matériaux / Mécanique des Matériaux. Goût pour la recherche et la modélisation, ainsi que pour la programmation informatique.
Rigueur et capacité à s’investir pleinement dans un sujet - aptitude au travail en équipe.
La maîtrise de la langue anglaise est indispensable.

Date limite de candidature

30/09/2019
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