Thèse Genèse de Gradients Microstructuraux en Fabrication Additive Laser-Fil H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
Direction de la thèse : Marion COFFIGNIEZ ORCID 000000017521452X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-24T23:59:59

Ce projet de thèse vise à démontrer la capacité du procédé laser-fil à générer des propriétés sur mesure. Pour atteindre cet objectif, ces travaux s'attacheront à caractériser les microstructures et propriétés obtenues lors de la fabrication additive multi-aciers par dépôt laser-fil. Un focus particulier sera porté à l'étude de l'interface (chimie, microstructure et propriétés mécaniques locales) et son impact sur le comportement global de la pièce. Les propriétés obtenues seront à comparer aux propriétés des structures monolithiques obtenues par le même procédé, à partir de chacun des matériaux pris séparément. Les influences croisées entre architecturation des interfaces, histoire thermique, microstructure générées et propriétés mécaniques finales mériteront également d'être étudiées.

Une des perspectives les plus intéressantes de la fabrication additive multi-matériaux est probablement sa capacité à produire des pièces présentant des variations de propriétés locales spécifiques en une seule et même étape de fabrication [1]. Cette approche ouvre des possibilités vers l'adaptation de propriétés sur mesure, la distribution de matière raisonnée par rapport à sa valeur ajoutée et la fonctionnalisation de structures, tout en conservant une certaine liberté de conception. Cependant, ce potentiel s'accompagne d'un certain nombre de défis, autant du point de vue des procédés que du point de vue des matériaux.

Malgré sa maturité plus avancée, le procédé de fusion laser sur lit de poudre ne permet pas une implémentation aisée de la production de pièces multi-matériaux (difficultés liées à une alimentation précise des flux de poudre séparés, difficultés liées au recyclage des poudres, etc...). Dans ce contexte, les procédés de dépôt d'énergie direct (DED) offrent des alternatives particulièrement intéressantes pour la fabrication multi-matériaux. Les matériaux étant fournis sous forme de fil ou par des alimentateurs de poudre indépendants, les systèmes DED permettent un contrôle plus flexible de la composition pendant le dépôt et simplifient les transitions entre les matériaux [2]. Parmi eux, le procédé laser-fil offre la sécurité et la réduction des coûts (financiers et environnementaux) lié à l'usage d'une matière première sous forme de fil plutôt que sous forme de poudre, tout en gardant une résolution plus précise que le procédé arc-fil [3]. En effet, la hauteur de couche souvent comprise entre 2 et 4 mm lors de la fabrication arc-fil [4,5] a pu être réduite à 0,4 mm lors de l'élaboration de nos murs 316L par le procédé laser-fil. De même, la rugosité de surface obtenue par le procédé arc-fil est généralement de l'ordre de 150-350 µm [6,7] avec une ondulation maximale comprise entre 1 et 2,8 mm [5] tandis que la rugosité à l'issue du procédé laser-fil est plutôt de l'ordre de 7 à 20 µm [8] avec l'ondulation provoquée par l'empilement des couches qui reste inférieure à 100 µm.

Les défis matériaux sont quant à eux dus aux disparités entre les propriétés chimiques, métallurgiques ou thermo-physiques des différents matériaux envisagés. Parmi toutes les combinaisons de matériaux possibles, celle de l'acier inoxydable austénitique 316L avec l'acier inoxydable martensitique 17-4PH semble particulièrement attractive. En effet, associer la ductilité du 316L à la résistance du 17-4PH devrait permettre de couvrir des compromis « résistance-ductilité » intéressants et ce choix vise donc à tirer profit de leur complémentarité de comportement mécanique. D'autre part leurs compositions chimiques sont suffisamment similaires pour minimiser le risque de de formation de phases intermétalliques fragiles et de fissuration à l'interface [9,10]. Des échantillons bi-matériaux ont d'ailleurs déjà pu être obtenus à partir de ces deux nuances par divers procédés de fabrication additive [9-14] mais aucune de ces études n'a été réalisées à l'aide du procédé laser-fil.

Dans ce contexte, des premiers essais de faisabilité ont été conduit au laboratoire SIMaP en collaboration avec le laboratoire G-SCOP sur une géométrie simple. L'interface révèle une microstructure complexe et un comportement local (microdureté) hétérogène qu'il conviendra de clarifier.

L'objectif principal de ces travaux de thèse est de démontrer la capacité du procédé laser-fil à générer des propriétés sur mesure (via les microstructures). Pour y parvenir, ces travaux s'attacheront à associer l'acier austénitique 316L à l'acier martensitique 17-4PH au sein d'une seul et même pièce. Ce couple d'aciers inoxydables est en effet attractif d'une part pour leur complémentarité de comportement mécanique et d'autre part pour leur proximité de composition qui garantit l'intégrité de l'interface comme détaillé dans la section contexte. Ainsi, associer la ductilité du 316L à la résistance du 17-4PH pourrait par exemple permettre d'atteindre de nouveaux compromis résistance-ductilité, d'augmenter la résistance à la propagation de fissure dans le cadre de géométrie stratifiée ou également de prolonger la durée de vie en fatigue des pièces en 17-4PH par l'ajout d'une couche de 316L en surface dont la ductilité limiterait l'amorçage des fissures en surface.

Pour nourrir cet objectif principal, différents sous-objectifs sont envisagés comme jalons. Le premier consistera en l'élaboration et la caractérisation de structures monolithiques simples (en 316L d'une part et en 17-4 PH d'autre part), de manière à bien comprendre le lien entre histoire thermique, microstructures et propriétés pour chacun des matériaux constitutifs. Dans un second temps, des configurations avec une seule interface (17-4PH sur 316 et/ou 316L sur 17-4PH) permettront d'étudier la répartition des éléments chimique et les microstructures générées à l'interface, les hétérogénéités de comportement mécaniques locales et leur conséquence sur la tenue de l'interface. Enfin le troisième sous-objectif consistera à complexifier l'architecture en démarrant d'abord par du stratifié. La modification des géométries d'interface (orientation, nombre & espacement, forme, position dans la pièce) pourrait permettre d'évaluer l'effet de l'histoire thermique vécue par l'interface sur sa microstructure et ses propriétés mécaniques locales, ainsi que l'effet de répartition des interfaces sur les comportements mécaniques macroscopiques. Ces comportements seraient alors à tester pour les différentes orientations d'interface (série et parallèle). Enfin, pour chacun de ces trois sous-objectifs, il serait intéressant d'étudier l'effet des traitements thermiques post-fabrication puisqu'ils représentent un moyen de faire varier l'état de précipitation, les gradients de composition chimique et potentiellement les densités de dislocations.

Le ou la doctorant(e) sera amené(e) à :
- Bâtir des plans d'expériences permettant de faire varier l'histoire thermique des interfaces générées par le procédé arc-fil, que ce soit via la géométrie des pièces et / ou les jeux de paramètres procédés.
- Réaliser une caractérisation multi-échelle de la microstructure, de l'échelle du bain de fusion à celle des précipités (métallographie, MEB/EBSD/EDX, MET, sonde atomique).
- Mesurer les propriétés mécaniques aux différentes échelles pour comprendre finement les mécanismes mis en jeu (nano-indentation, micro-dureté, traction suivie par corrélation d'image, propagation de fissure...). La mise en place d'essai in-situ dans le MEB pourra également être envisagée.
- Envisager une modélisation de l'histoire thermique pour mieux comprendre / anticiper les microstructures formées et ainsi aider à choisir les géométries à tester.