Simulation thermo-mécano-métallurgique de la fabrication de pièces en alliage de titane par le procédé WAAM et de leur comportement mécanique par une approche à champs moyens

Afin d’aider les partenaires industriels à garder une longueur d’avance technologique, l’IRT Jules Verne a créé le programme PERFORM (ProgrammE de Recherche FOndamentale et de Ressourcement sur le Manufacturing) qui stimule le développement de la recherche amont par le financement de grappes de thèses de doctorats portant sur des problématiques industrielles identifiées. Le programme est cogéré par l’IRT Jules Verne et ses partenaires industriels et académiques.

Le développement de la fabrication additive métallique par procédés arc-fil (WAAM) met en évidence le besoin accru de gestion de la thermique du procédé. En effet, la maitrise des phénomènes thermiques est clé :

• pour améliorer les performances du procédé et notamment pour l’augmentation de sa productivité
• pour accroitre les performances mécaniques des produits (notamment à travers la microstructure).

Pour répondre à cet enjeu, l’IRT Jules Verne associé à l’Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM UMR CNRS 6183) et l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) propose cette thèse dans le cadre du programme PERFORM.

Rattaché(e) au directeur de thèse au laboratoire GeM et au RERT (Responsable d’Equipe de Recherche Technologique) de l’IRT Jules Verne, le(la) candidat(e) aura en charge les missions suivantes :

• dans la continuité de travaux en cours aux laboratoires GeM et IMN, développer une simulation hybride du procédé de fabrication additive WAAM, appliquée à la fabrication de pièces en alliage de titane, composée d’une description analytique de la géométrie des cordons déposés en lien avec les paramètres procédés et une simulation par la méthode des éléments finis des champs de température, des phases métallurgiques produites et des contraintes résiduelles induites ;
• réaliser un plan d’expérience (variation des paramètres principaux comme la puissance, la vitesse de dévidement du fil ou la vitesse de soudage) qui intégrera également différentes orientations torche/substrat et qui se fera sur la base d’une géométrie de pièce témoin ;
• analyser ces pièces après fabrication au niveau de leur géométrie extérieure, de leurs microstructures et de leurs gradients de contraintes résiduelles via la diffraction des RX en laboratoire et la diffraction des neutrons sur grands instruments ;
• associer à ces observations des approches d’homogénéisation dont l’échelle de départ correspond aux hétérogénéités microstructurales étudiées. L’objectif sera de dégager les caractéristiques microstructurales prédominantes (morphologies, porosités, tailles de grains, phases, texture…) responsables du comportement mécanique du matériau pour proposer des outils prédictifs afin de mieux cerner les propriétés mécaniques et l’endommagement en fonction des paramètres du procédé ;
• confronter simulations et expériences pour élaborer et valider des prédictions fiables.

Au cours de la thèse, des interactions régulières auront lieu avec les industriels partenaires.

La thèse proposée étant co-encadrée par le GeM et l’IMN, le(la) doctorant(e) sera essentiellement localisé(e) pour ses travaux sur le campus de la Chantrerie à Nantes (IMN) puis sur le site de l’IUT de Saint-Nazaire (GeM). Compétences Savoir Connaissances théoriques Savoir-faire Compétences méthodologiques & organisationnelles Savoir-être Compétences relationnelles & comportementales