Contribution à la modélisation des procédés de mise en forme par solidification. Application au soudage et à la fabrication additive

Abstract

Ce manuscrit présente, à travers différents chapitres, les travaux que j’ai été amené à suivre, encadrer et développer durant mes activités de recherche, dans un premier temps, au sein de l’équipe CPP (Arts et Métiers, Centre de Lille) puis au CEMEF (Mines Paris - PSL). Les premiers de ces travaux ont, ainsi, été liés à la caractérisation des surfaces et interfaces des matériaux. Les thèmes abordés ont été, en ce sens, très divers et ont permis de nous intéresser à des problématiques de dureté, de rugosité et de corrosion. Les seconds, de nature différente, se sont orientés vers la modélisation des transformations de phases dans les alliages métalliques. Ces dernières activités ont porté, plus particulièrement, sur l’étude des procédés de soudage et de fabrication additive. Elles présentaient un caractère très numérique, en s’intéressant, notamment, au comportement thermomécanique de différents matériaux d’intérêt durant ces procédés, couplé au suivi de leurs évolutions microstructurales. Un formalisme level set a été mis en place pour simuler ces procédés, dans le cadre de prises de moyennes volumiques et d’une résolution éléments finis. Des modèles ont, ainsi, été proposés pour représenter l’apport de matière en soudage (TIG, MIG/MAG), ainsi que l’effet des sources d'énergie. De même, dans le cadre des procédés de fabrication additive (L-PBF, WAAM, WLAM), nous avons développé des approches destinées au suivi de l’apport d’énergie et des transformations rapides de la matière. Le développement des microstructures a été étudié par des méthodes automates cellulaires qui ont permis de prédire les morphologies finales des grains formés et les textures des matériaux élaborés. Une exploitation originale des structures de grains virtuelles, produites en simulation du soudage, s’est faite dans le cadre de l’amélioration des outils de contrôle non destructif (projet NEMESIS). En complément, une activité forte de conception d’outils destinés au suivi des transformations de phases dans les alliages métalliques est décrite, à travers le développement de la librairie PhysalurgY, couplée au calcul des équilibres thermodynamiques (logiciel Thermo-Calc). Différents outils de cette librairie sont rappelés, permettant un suivi de ces évolutions à différentes échelles spatiales et temporelles. L’ensemble de ces activités se sont réalisées dans le cadre de partenariats académiques (projets ANR) et industriels (Thèses CIFRE) pérennes, régulièrement rappelés, qui ont contribué à valider nos modèles numériques et à démontrer la qualité des résultats obtenus. La reconnaissance de cette qualité s’est faite au travers de publications et communications scientifiques régulières. Un bilan des encadrements, et des productions scientifiques associées, est apporté dans le descriptif des activités, ainsi que dans la conclusion finale. Des perspectives sont, ensuite, tracées pour discuter des orientations futures de ces travaux, des ouvertures envisagées et des besoins associés.