H/F - thèse sur l'étude d’alliages d’aluminium obtenus par fabrication additive par friction-malaxage

Description du Poste

Sujet De Thèse

La fabrication additive par friction‑ malaxage (AFSD – Additive Friction Stir Deposition) constitue aujourd’hui un procédé émergent prometteur pour la production de pièces métalliques de moyenne et grande taille. L’AFSD repose sur un principe de déformation plastique sévère induite par friction, sans changement d’état du matériau. Le matériau d’apport, généralement sous forme d’une barre solide, est mis en contact avec le substrat et entraîné en rotation par l’outil de dépose. La matière subit une élévation de température, en-deçà de son point de fusion, qui induit un comportement pâteux et permet à la fois le dépôt et le malaxage du matériau. Cette technique permet de réaliser des dépôts denses avec des taux de dépose de l’ordre de 1 – 7 kg/h pour des alliages d’aluminium, exempts de porosité, présentant une microstructure finement recristallisée et des propriétés mécaniques isotropes.
Comme l’ensemble des technologies de fabrication additive, l’AFSD permet de réduire la quantité de matière première nécessaire pour la fabrication des pièces et permet en outre une productivité accrue. Cependant, malgré ce potentiel, l’AFSD reste encore peu maîtrisé scientifiquement. Les phénomènes physiques mis en jeu, génération de chaleur par friction, écoulement de matière, mélange mécanique, formation d’interfaces multi‑matériaux, recristallisation dynamique, sont complexes, fortement couplés et difficiles à modéliser. La compréhension de ces mécanismes est pourtant indispensable pour garantir la qualité des dépôts, optimiser les paramètres opératoires et les microstructures, prédire la tenue en service et envisager des applications industrielles critiques. Les enjeux économiques et sociétaux sont également importants.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ASTRID FALbALA, pour Fabrication d’ALliages d'ALuminium de manière Additive par friction-malaxage, financé par l’ANR. Le consortium est constitué par l’ONERA (coordination du projet), le LMS (laboratoire de rattachement de la thèse), MATEIS, le CETIM, KNDS France et Constellium. Le principal objectif du projet FALbALA est d’établir le lien entre les paramètres de fabrication du procédé AFSD, la microstructure induite dans les échantillons ainsi fabriqués, et leur comportement mécanique, dans le cas d’alliages d’aluminium à durcissement, l’un structural (7020) et l’autre par écrouissage (5083).
La thèse a pour objectif de relier les champs thermiques induits par le procédé AFSD à l’état métallurgique en tout point de la matière, ainsi qu’au comportement mécanique de pièces fabriquées par AFSD, dans le cas d’un alliage d’aluminium aéronautique (nuance 7020).
La première étape consiste à établir une compréhension fine de l’état métallurgique de la matière déposée. En effet, l’état de précipitation obtenu localement est à la fois caractéristique de la thermique vue par la matière, et également responsable au premier ordre du niveau de durcissement local obtenu. La caractérisation de l’état de précipitation constitue donc l’un des premiers enjeux majeurs de cette thèse. On s’appuiera sur plusieurs techniques de caractérisation complémentaires : des mesures locales en calorimétrie (DSC) et en microscopie électronique à balayage et à transmission seront mises en regard des caractérisations plus globales obtenues par la mesure du pouvoir thermoélectrique (TEP) et par diffraction de rayons X (DRX). Il s’agira ensuite de relier avec précision l’impact des champs thermiques à l’état de précipitation en tout point du mur, non seulement au moment du dépôt de la matière, mais également suite aux cyclages thermiques provoqués par le dépôt d’une nouvelle couche sur la matière déjà déposée. L’utilisation du modèle en champs moyens PreciSo, développé à MATEIS par Michel Perez, permettra de simuler la croissance des précipités durcissants à partir des champs thermiques. Ces simulations pourront être confrontées aux mesures locales des tailles et fractions volumiques de précipités. Cette tâche a un double rôle, le premier est de caractériser les forts gradients microstructuraux dans la direction du dépôt tels qu’observés dans des travaux antérieurs [Girault, 2026 et Puybras, 2024] et le second, de valider la qualité des prédictions des mesures et simulations thermiques voire thermomécaniques réalisées par les partenaires du projet ANR.
La deuxième étape a pour objectif de relier l’état de précipitation et son évolution aux propriétés mécaniques locales. On s’intéressera notamment à la description du comportement (visco)plastique de la matière, et en particulier à la limite d’élasticité et aux paramètres d’écrouissage sous sollicitations thermomécaniques, qui peuvent induire une évolution de l’état de précipitation. La modélisation envisagée sera d’abord macroscopique, c’est-à-dire que la dépendance à l’état de précipitation sera introduite explicitement à travers une évolution spatiale et temporelle des paramètres de la loi de comportement. Cette dépendance à la microstructure a déjà été introduite de cette manière dans des travaux antérieurs [Girault, 2026] dans le cas de la limite d’élasticité, en montrant des résultats prometteurs justifiant une telle approche. L’ambition pour cette thèse est de l’étendre à l’ensemble du comportement viscoplastique. Des essais de caractérisation mécaniques, du type écrouissage cyclique et relaxation, seront réalisés sur des échantillons prélevés à différentes positions dans les échantillons fabriqués par AFSD, et ce, pour différents paramètres du procédé.
La dernière étape du travail de thèse consistera à montrer la faisabilité de la pertinence de la modélisation développée vis-à-vis de la prise en compte d’une interface dans les échantillons fabriqués par le procédé AFSD. Il s’agira de s’intéresser à la transition entre le substrat et la matière déposée, ce qui représente un cas d’école pour l’étude de solutions de réparation par le procédé AFSD de pièces endommagées. Il sera alors nécessaire de prendre en compte les variations de morphologie et de taille des grains entre le substrat, généralement constitué d’une plaque d’aluminium épaisse préalablement laminée et caractérisé par des grains grossiers et allongés dans la direction du laminage, et la matière déposée, caractérisée par de petits grains recristallisés, équiaxes et exempts de défauts. L’interface correspondant au mélange de matière est, quant à elle, constituée d’une population complexe de grains déformés et partiellement recristallisés. Pour pouvoir établir l’impact des variations de morphologie et de taille des grains, il est alors nécessaire de s’appuyer sur une approche dite de micromécanique, qui va consister à caractériser le comportement de l’interface à l’échelle de la microstructure, c’est-à-dire à l’échelle d’un agrégat de grains. Pour cela, on s’appuiera sur l’expertise du LMS et de l’ONERA en termes de réalisation d’essais micromécaniques, afin de réaliser des essais de traction au niveau de l’interface entre le substrat et la matière déposée sur des éprouvettes micromécaniques, permettant de réaliser les essais de traction dans un microscope électronique à balayage (MEB). Il sera alors possible de caractériser la morphologie et la taille des grains par une analyse en électrons rétrodiffusés (EBSD) de la surface de l’échantillon avant essai, puis d’obtenir l’évolution des champs de déformation locaux par l’utilisation de la corrélation d’images numériques, réalisées in situ MEB pendant la sollicitation mécanique. Ces champs de déformation expérimentaux pourront être comparés à des simulations en plasticité cristalline, et là encore, il sera possible de s’appuyer sur l’expertise à la fois du LMS et de l’ONERA, ainsi que sur de précédents travaux ayant montré la pertinence et la faisabilité de cette approche. Les méthodologies et outils numériques et expérimentaux nécessaires ayant déjà été développés et utilisés avec succès dans la thèse de Girault [Girault, 2026], il s’agira de les adapter et identifier dans le cas de l’alliage 7020. L’intérêt majeur de cette dernière étape réside dans la possibilité de comparer les résultats obtenus à l’échelle de l’agrégat de grains, prenant en compte de manière explicite les spécificités de la microstructure, à ceux obtenus via l’approche macroscopique.
Références :
[Girault, 2026] F. Girault, Réparation par fabrication additive des pièces endommagées d’un lanceur réutilisable, thèse de doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris (2026).
[Puybras, 2024] M. Puybras, Development of 5xxx Aluminium Alloys for Additive Friction Stir Deposition, thèse de l’INSA Lyon (2024).

Votre Environnement de Travail

Le laboratoire d’accueil principal du ou de la doctorant.e sera le LMS, mais les sites parisiens du LMS et de l’ONERA étant proches, l’étudiant.e réalisera la majorité des caractérisations expérimentales prévues à l’ONERA. Par ailleurs, il convient de noter qu’une partie des travaux de modélisation sera réalisée au laboratoire MATEIS, sous la supervision de Michel Perez. Les déplacements à Lyon seront financés par le projet.

Contraintes et risques

Aucun risque lié au sujet de thèse

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

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