Projet ANR-11-NS09-0001 – FORMATING : Formation des macles thermiques pour l'ingénierie de joints de grains
Programme : Blanc International I - SIMI 9 - Sciences de l'ingénierie, matériaux, procédés, énergie (Blanc Inter I SIMI 9) 2011
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Nathalie Bozzolo (ARMINES)
Partenaires : Centre de Mise en Forme des Matériaux; Divers public
Montant : 277793.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Ce projet est proposé conjointement par Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo et Roland Logé du CEMEF (Centre de mise en forme des matériaux, Mines-Paristech, Sophia Antipolis) et par Anthony Rollett et Gregory Rohrer du département de Science et Ingénierie des Matériaux de l'Université Carnegie Mellon (CMU, Pittsburgh, USA). Il porte sur l'étude des mécanismes de maclage thermique, sur lesquels repose l'ingénierie de joints de grains (IJG). Cette branche récente de la métallurgie physique consiste à améliorer les propriétés d'emploi associées à la résistance à la propagation de fissures intergranulaires (corrosion, fatigue) en contrôlant le réseau de joints de grains plutôt que la structure granulaire elle-même. Les joints de grains dits spéciaux sont ceux contribuant à l'amélioration des propriétés: essentiellement les macles de recuit (primaires et multiples) des métaux CFC. Les mécanismes de maclage thermique n'ont jamais été complètement élucidés, et méritent donc d'être revisités avec les moyens modernes d'investigation. 
L'IJG consiste typiquement en une succession d'étapes de déformation et de recuit, mais les mécanismes microstructuraux menant à un réseau dense de joints de grains favorables ne sont pas clairement établis non plus. Le présent projet a pour objectif de combler cette lacune. FORMATING repose sur une caractérisation détaillée des premiers stades de recristallisation, en fonction de la taille de grains initiale, des conditions de recuit, de la présence éventuelle de particules d'une seconde phase et de la déformation préalable. Compte-tenu de l'amplitude modérée des déformations appliquées, une attention particulière sera portée aux probables situations de SIBM (migration d'un joint de grains sous la force motrice résultant de la différence d'énergie stockée de part et d'autre). L'une des hypothèses qui motivent ce projet est en effet que ce mécanisme peut accélérer la vitesse de migration des joints et augmenter ainsi la probabilité de créer des macles de recuit. Les travaux envisagés visent tous à valider de telles hypothèses élaborées à partir de la littérature et de l'expérience des deux partenaires. Ceux-ci disposent de techniques expérimentales de pointe et d'outils de simulation numérique parfaitement adaptés pour mener à bien ce projet dans le délai imparti. Leurs apports sont complémentaires dans les deux domaines, tout comme l'est leur expérience concernant les matériaux qui seront étudiés (Ni pur à CMU, alliages au CEMEF).
CMU dispose de moyens de caractérisation tridimensionnelle (robot de polissage métallographique pour la réalisation de coupes sériées, MEB à haute résolution muni d'une colonne ionique et d'un système EBSD). Le Cemef a développé une platine de chauffage in-situ qui permet de réaliser les traitements thermiques (jusqu'à 1200°C) dans la chambre du MEB et d'acquérir ainsi des cartographies d'orientation (EBSD) d'une zone donnée à différents instants du recuit. Une partie des outils numériques disponibles de part et d'autre ont été développés lors d'une précédente collaboration (projet NSF-EU Digimat). CMU dispose de l'outil actuellement le plus avancé au monde pour la construction de microstructures tridimensionnelles numériques, et possède une grande expérience en matière de caractérisation des réseaux de joints de grains. Le CEMEF a quant à lui développé des moyens puissants de simulation numérique de l'évolution d'une microstructure soumise à déformation puis recuit (éléments finis intégrant un formalisme level-set et un remaillage adaptatif anisotrope).
A l'issue de ce projet, les mécanismes d'optimisation des réseaux de joints de grains étant mieux connus, le principe de l'IJG pourra très probablement s'appliquer à de nouveaux domaines. Il devrait notamment susciter un intérêt croissant de la part des industriels du secteur aéronautique (Pratt&Whitney, General Electric, Rolls Royce, Aubert&Duval, Snecma,...) pour l'optimisation des superalliages à base Nickel.