Grain growth under the influence of Smith-Zener pinning : multiscale modeling and application to nickel-based superalloys

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

• Auteur / Autrice : Karen Alvarado Vargas
• Direction : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 20/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Hazotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo, Olga Bylya, Pascal de Micheli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Bruchon, Michel Perez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Matériaux

Nickel -- Alliages

Mots clés libres

Croissance de grains

Ancrage de Smith-Zener

Méthode Level-Set

Simulations à champ complet

Superalliages

Dissolution des particules

Grain growth

Smith-Zener pinning

Level-Set

Full-Field simulations

Superalloys

Particle dissolution kinetics

Résumé

Dans la plupart des superalliages polycristallins à base nickel, la taille des grains est contrôlée par les particules de seconde phase. Le modèle de Smith-Zener décrit cette interaction physique. Les processus de forgeage industriels impliquent des étapes de déformation à chaud parfois proches de la température de dissolution des particules. Par conséquent, il est essentiel de comprendre et de prévoir l’évolution de ces particules afin de contrôler correctement les distributions de taille de grains obtenues lors de ces traitements thermomécaniques. Deux superalliages base nickel ont été étudiés (AD730 et N19) avec une série de traitements isothermes et d’analyses microstructurales détaillées basées sur les techniques SEM et EBSD. Plus précisément, les précipités ɣ′ (fraction, tailles et morphologies) ainsi que l’évolution de la taille des grains ont été analysées. Un modèle de type Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) a été établi et validé pour décrire l’évolution temporelle des précipités de chaque matériau en fonction de la température à l’aide des données expérimentales acquises et du logiciel Thermo-Calc. Des simulations numériques ont ensuite été effectuées dans le cadre d’une formulation à champ complet pour simuler les phénomènes de croissance de grain. Plus précisément, une approche Level-set (LS) de description des joints de grains dans un contexte éléments finis (EF) avec une population de particules de seconde phase évoluant selon les cinétiques précédemment établies, a été développée. L’approche numérique a été largement validée grâce à de nombreux tests académiques mais aussi surtout par son caractère prédictif vis-à-vis des données expérimentales capitalisées durant la thèse.

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 ɣ′ 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. 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.