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Le 20 janvier 2022

Soutenance de thèse de Karen ALVARADO VARGAS

Croissance des grains sous l'influence du phénomène d'ancrage de Smith-Zener avec évolution des particules de seconde phase : approche multi-échelle et application aux superalliages à base de nickel

Résumé de la thèse en français

Dans la plupart des superalliages polycristallins à base de nickel, la taille des grains est contrôlée par les particules de seconde phase qui entravent la migration des joints de grains. Le modèle Smith-Zener décrit cette interaction physique. Les processus de forgeage industriels impliquent des étapes de déformation à chaud près de la température de dissolution des particules. Par conséquent, il est essentiel de comprendre et de prévoir leur évolution afin de contrôler correctement la taille des grains obtenue après un traitement thermique donné ; ainsi que les propriétés associées. Trois superalliages à base de nickel ont été étudiés (AD730, René 65, N19) avec une série de traitements isothermes et d'analyses microstructurales détaillées basées sur les techniques MEB et EBSD. Plus précisément, pour les précipités 𝛾' primaires, la fraction des particules, leur taille et leur morphologie ainsi que l'évolution de la taille des grains ont été analysés. Une équation a été établie pour décrire l'évolution de ces précipités dans chacun des trois matériaux en fonction de la température et du temps, à l'aide de données expérimentales, de résultats de calculs Thermo-Calc et du modèle Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK). Des simulations numériques par la méthode des éléments finis ont été ensuite effectuées pour simuler la croissance de grains, avec une formulation à champ complet employant la méthode Level-set (LS) et une population de particules de seconde phase évoluant selon les cinétiques précédemment établies. Cette approche numérique a été privilégiée par rapport aux autres méthodes de la littérature car elle permet de simuler de grandes déformations, ce qui ouvre la possibilité de reproduire des chemins thermomécaniques plus réalistes par rapport à ceux utilisées en mise en forme industrielle des matériaux métalliques, où les gammes comprennent des étapes de déformation à chaud et des traitements thermiques. Cette thèse propose un nouveau formalisme basé sur la méthode LS pour modéliser les mécanismes de croissance de grains sous l'influence de l'ancrage de Smith-Zener et capable de considérer l'évolution des précipités. Les précipités sont représentés par une fonction distance supplémentaire et un traitement numérique des joints de grains à proximité des précipités est appliqué pour reproduire correctement la pression d'ancrage. Ainsi, en prenant en compte la cinétique de dissolution réelle des précipités avec des lois phénoménologiques, ces simulations permettent de prédire les évolutions des grains non seulement à l'état stationnaire aux temps longs, mais également dans le régime transitoire.

Résumé de la thèse en anglais

In most polycrystalline nickel base superalloys, the grain size is controlled by second phase particles which pin the grain boundaries. The Smith-Zener model describes this physical interaction. Industrial forging processes can involve hot deformation steps near the solvus temperature, where second phase particle dissolution occurs. Therefore, it is essential to understand and predict their evolution to properly control the grain size obtained after a specific subsolvus solution treatment and, in turn, the related material properties. Two nickel base superalloys were studied (AD730, and N19) through a series of isothermal treatments and detailed microstructural analyses based on SEM and EBSD techniques. More precisely, the primary γ ′ precipitates (fraction, sizes, morphologies) as well as the grain size evolution were analyzed. A temperature-time codependency equation, through a Johnson-Mehl-Avrami- Kolmogorov (JMAK) model, was established to describe the evolution of precipitates of each material using experimental data and the Thermo-Calc software. Numerical simulations could then be performed using a full-field modeling framework for simulating grain growth (GG) phenomenon. In fact, a Level-Set (LS) method, within a finite element (FE) context, was improved in order to deal with second phase particle evolving accordingly to the previously established kinetic models. The precipitates are represented using an additional LS function; a numerical treatment around the grain boundary in the vicinity of the precipitates is then applied to reproduce their pinning pressure correctly. This new numerical framework was largely validated thanks to academic test cases but most importantly by its predictive nature concerning the experimental results capitalized during the PhD.

Titre anglais : Grain growth under the influence of the Smith-Zener pinning phenomenon with an evolution of the second phase particles: multiscale approach and application to nickel-base superalloys
Date de soutenance : jeudi 20 janvier 2022 à 10h00
Adresse de soutenance : CEMEF - MINES ParisTech - PSL 1 Rue Claude Daunesse, 06904 Sophia Antipolis - Non définie
Directeur de thèse : Marc BERNACKI
 : Nathalie BOZZOLO

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