L’Inconel 718 est un superalliage base nickel, élaboré dans les années 60, utilisé dans la fabrication de pièces pour les parties chaudes des moteurs d’avion. Il acquiert ses propriétés mécaniques et sa microstructure finale au cours du procédé de mise en forme appelé forgeage à chaud. La maîtrise de ce procédé nécessite de comprendre l’interaction entre les phénomènes d’écrouissage et de recristallisation dynamique tout en intégrant l’influence de diverses conditions thermomécaniques. Cette étude s’est focalisée, expérimentalement, sur les phénomènes liés au forgeage à chaud en mise en forme unipasses et multipasses super-δ-solvus (1050 °C). Afin de les caractériser, des essais de compression ont été réalisés à l’échelle de pions. Des trempes à l’hélium, après déformation, ont permis de figer les microstructures dans le but de comprendre leur évolution en fonction des paramètres thermomécaniques (ε, et T). Des observations ont ensuite été réalisées expérimentalement : microscopie optique et à balayage, EBSD et diffraction des neutrons. Une attention particulière a été portée sur l’évolution de la phase δ, influençant indirectement les propriétés mécaniques de l’alliage, au cours de traitements thermiques puis thermomécaniques. La quantification ainsi que la détermination des cinétiques d’évolution statiques et dynamiques de cette phase a permis de mieux comprendre son influence au cours du forgeage sub-δ-solvus (980 °C). Un chaînage séquentiel a été développé entre deux modèles, l’un de plasticité cristalline implémenté dans un code éléments finis (CPFEM) et l’autre de recristallisation, implémenté dans un code automates cellulaires. Ce chaînage séquentiel permet de décrire les évolutions de champs mécaniques et de microstructures au cours du forgeage à chaud et a été validé par une comparaison avec les résultats expérimentaux. MOTS CLÉS : forgeage à chaud, Inconel 718, recristallisation dynamique, mise en forme multipasses, phase δ, plasticité cristalline (CPFEM), automates cellulaires, chaînage séquentiel, agrégats polycristallins 3D. / Developed in the 60’s, the nickel-base superalloy, Inconel 718, is widely used for hot parts of aircraft engines. The hot forging process confers to the alloy its final microstructure and its mechanical properties. The control of the process requires a deep knowledge of the interactions between the hardening phenomena and the dynamic recrystallization for the various thermomechanical conditions which are used. The present study mainly focuses on the experimental characterization of the phenomena linked to hot forging in the super-δ-solvus domain (1050 °C), as well for a single pass process as for a multipass one. Hot compression tests are used to simulate forging. After deformation, samples are helium quenched in order to freeze the microstructure that allows understanding its evolution as a function of the thermomechanical parameters (ε, and T). Microstructure analyses have then been performed using optical and scanning microscopy, EBSD, and neutron diffraction. A specific attention is paid on the study of the -phase evolution as it has a direct influence on the mechanical properties of the alloy. Its evolution is followed along thermal and thermomechanical treatments. The measure of the static and dynamic precipitation kinetics has led to a better understanding of the -phase role during hot forging at temperatures below solvus (980 °C). A sequential coupling is developed, based on two models; the first one is a crystal plasticity model implemented in a finite element code (CPFEM), the second one being a modeling of recrystallization using a cellular automata approach. The coupling allows the evolutions of the mechanical fields and the microstructure to be simulated during hot forging. The numerical results fit correctly most of the experimental data, mechanical and structural.

Dans le domaine de la forge, la problématique de la réduction des coûts de production se fait ressentir à plusieurs niveaux de la fabrication. Un point essentiel concerne la réduction du coût d'outillage par pièce forgée. La simulation numérique permet d'effectuer des études de faisabilité à coût réduit. On peut désormais utiliser la simulation numérique dans une approche d'optimisation des outillages. Pour augmenter la durée de vie des outils, il faudra prendre en compte deux facteurs essentiels: l'usure et les sollicitations thermomécaniques subies par les outils. Dans cette thèse, nous avons d'abord mis au point une formulation thermomécanique et numérique du problème thermomécanique couplé sur le système complet pièces-outillages. La résolution de ce problème multicorps nous a permis de modéliser le comportement des outils au cours du procédé de forgeage à chaud. Les temps de calculs importants générés par ce type d'approche nous ont conduit à mettre au point et à tester différentes stratégies algorithmiques pour permettre de réduire les temps de calcul. Ces stratégies sont maintenant utilisables et leur comparaison a mis en évidence leurs avantages relatifs. Il s'agira en fait dans la plupart des cas de faire un compromis entre la durée des calculs et la précision souhaitée. Les résultats présentés ici permettront aux futurs modélisateurs de faire le choix entre ces différentes méthodes. Les résultats thermomécaniques obtenus sur les outillages nous ont permis de mettre en place un modèle de calcul d'usure, ainsi qu'une stratégie de calcul pour obtenir dans des temps raisonnables des résultats sur des résultats sur des cas de cyclage, pour mieux simuler des passes de forgeage.

L’objectif principale de cette thèse est de procéder à une identification paramétrique d’un modèle rhéologique de matériau métallique à chaud en utilisant des données expérimentales issues d’une presse industrielle. Dans le premier chapitre, le principe de l’identification paramétrique est exposé. Des essais de compressions uniaxiale faites sur machine d’essais spécialisés y servent alors comme cas d’étude. Les notions de choix de la fonction-coût, du plan d’expérience et du modèle y sont alors abordées ainsi qu’une analyse de sensibilité. Le chapitre suivant présente l’outillage utilisé pour faire les expériences sur presse. Enfin, une évaluation des échanges thermiques et des frottements que subis la pièce lors de l’essai est faite. Le troisième chapitre se concentre sur l’identification paramétrique proprement dite. Ainsi, des simulations par élément fini de la compression sont faites et comparées aux essais expérimentaux. Les résultats de l’identification sont discutés et comparés à ce que proposait initialement la base de données du logiciel FORGE® ainsi que les paramètres identifiés pour le même matériau au chapitre 1. Une simulation d’une pièce complexe avec ces différents jeux de paramètres est ensuite comparée avec le forgeage réel de cette pièce. Le quatrième chapitre reprend les acquis du troisième en faisant une identification paramétrique pour la rhéologie d’Inconel 625. Une tentative d’identification d’un modèle de microstructure pour l’Inconel à partir d’essais industriel termine ce manuscrit. / The main objective of this thesis is to identify the parameters of a hot metal rheology model by using experimental data from an industrial press. In the first chapter, the principle of parameter identification is exposed. Uniaxial compression testing done on specialized devices serves as a case study. The notions of cost function, experimental design and rheological model are examined. A sensitivity analysis is also performed. The next chapter present the experimental tools used on the industrial press. Finally, the friction and thermal exchange that will happen during the tests are evaluated. The third chapter is about the inverse analysis on industrial press. Finite elements modelling of the compression is made and compared with the experiments. The identification results are then compared with the FORGE® software database and the material parameters found in chapter 1. A complex part is then simulated with these different parameters and compared with a real forging of this part. The fourth chapter uses the same methods as in chapter 3 to perform an identification on the rheological parameters of an Inconel 625. A microstructural model for the Inconel is then identified with industrial testing as reference.

La simulation numérique des procédés de mise en forme joue un rôle important lors de la conception des gammes d'outils. Dans ce travail, nous utilisons la simulation éléments finis afin d'optimiser automatiquement les formes des outils de forgeage à chaud, par une approche de type inverse. Cette méthode a été appliquée à des gammes en deux passes, à symétrie axiale. Les outils à optimiser sont décrits par des courbes b_splines. Les problèmes majeurs de conception sont abordés: défaut de repli et d'aspiration, remplissage complet de la matrice de finition et amélioration des caractéristiques métallurgiques de la pièce forgée. Les solutions sont déterminées par l'utilisation d'algorithmes de quasi-newton, avec ou sans contrainte. Les dérivées des fonctions coût, par rapport aux paramètres de forme, sont obtenues par différentiation des équations discrètes régissant le problème de mise en forme. La méthode ainsi développée pour l'analyse de sensibilité tient compte de l'instationnarité du procédé et du caractère évolutif du contact. Le logiciel ainsi mis en œuvre a été appliqué à plusieurs problèmes industriels d'optimisation de forme d'outil.

Les alliages à base Nickel polycristallins sont largement utilisés pour les pièces aéronautiques soumises à des sollicitations extrêmes en service. Des objectifs toujours plus ambitieux en termes de rendement énergétique des moteurs d’avions ont conduit les constructeurs à augmenter leur température de fonctionnement. Les nuances utilisées jusqu’alors dans les parties chaudes, tels que l’Inconel 718, n’ont pas une tenue mécanique suffisante à ces températures. Le René 65 est un nouvel alliage à microstructure γ-γ’ élaboré spécifiquement pour ces applications. Il a été retenu par Safran Aircraft Engines comme constituant des disques de turbine basse pression du nouveau turboréacteur LEAP. Pour garantir la bonne tenue des disques, une microstructure fine et homogène est requise. Le procédé de forgeage de ces pièces est une séquence d’étapes de déformation à chaud et de traitements thermiques, durant lesquelles la microstructure évolue. Si les phénomènes physiques gouvernant les évolutions microstructurales sont connus, leurs mécanismes exacts et leurs cinétiques varient d’un alliage à l’autre.Des essais de déformation à chaud ont été réalisés en laboratoire dans différentes conditions de température, vitesse et taux de déformation représentatifs des procédés industriels. L’étude précise des mécanismes de recristallisation dynamique, ainsi que de leurs cinétiques, constitue la première partie de ce travail. La caractérisation fine des microstructures déformées a permis de mettre en évidence un nouveau mécanisme de recristallisation, dit de recristallisation en hétéroépitaxie, qui se superpose aux autres mécanismes conventionnels. L’interaction entre ces différents mécanismes ainsi que leurs cinétiques relatives ont été établies dans une vaste gamme de conditions de déformation. Il est démontré que ce mécanisme de recristallisation s'applique également à d'autres alliages γ-γ’. La deuxième partie de l’étude est consacrée à la stabilité des microstructures déformées lors de leur exposition à haute température. L'alliage René 65, comme d’autres alliages à base Nickel, est sensible à un phénomène indésirable dit de croissance sélective de grains. Ses conditions de déclenchement ont été déterminées, de manière à délimiter une fenêtre de forgeage critique. Les mécanismes microstructuraux à l’origine de ce phénomène ont été discutés, ainsi que la possibilité d’une solution préventive. / Polycrystalline Nickel-based alloys are widely used as components for rotative parts of jet engines submitted to extreme conditions. Endlessly increasing objectives in terms of energy efficiency have led the engine manufacturers to increase their service temperature. As a consequence, Inconel 718 and similar alloys -that were used until now- cannot withstand such severe conditions anymore, and lack mechanical resistance at the increased temperature. René 65 is a new γ-γ’ superalloy which has been designed specifically for that purpose by General Electric. It has been selected by Safran Aircraft Engines as the material for low-pressure turbine disks in the new LEAP engine. To reach the desired mechanical properties, a fine and homogeneous microstructure is required. The forging process is a complex sequence which involves various hot deformation stages and thermal treatments, during which the microstructure evolves. Although the underlying mechanisms governing the microstructure evolutions are quite known, their specific mechanism and kinetics may vary depending on the alloy.Interrupted compression tests were conducted at laboratory scale under thermomechanical conditions (temperature, strain and strain rate) in accordance with the industrial process. In the first part, the focus is placed on the dynamic recrystallization mechanisms. Accurate characterization of the deformed microstructures has enabled to highlight a new recrystallization mechanism which superimposes with more conventional ones. It was named heteroepitaxial recrystallization. The interactions between those mechanisms as well as their relative kinetics have been established in a wide range of deformation conditions. . It is demonstrated that this mechanism occurs in other γ-γ’ Nickel-based alloys. The second part of the study is dedicated to the stability of deformed microstructures when exposed to high temperature thermal treatments. René 65, as many other Nickel-based alloys, is subjected to the undesirable phenomenon of selective grain growth, which leads to very heterogeneous microstructures containing abnormally large grains in a fine matrix. Critical deformation conditions leading to heterogeneous microstructures during subsequent annealing have been determined in an aim to identify the critical forging window which should be avoided. The microstructural mechanisms responsible of this phenomenon have been investigated, and the possibility of a preventive solution is discussed.

Le forgeage à chaud est un procédé de formage des métaux utilisé pour former des matériaux qui sont difficiles à former à froid ainsi que pour réaliser des géométries complexes. La réduction de la limite d’élasticité à haute température et une augmentation subséquente de l’aptitude à la mise en forme constituent le principal mécanisme à l’origine du procédé. Les méthodes numériques constituent un moyen efficace de prédire les états de contrainte / déformation du produit à différentes étapes de la mise en forme. Bien que les méthodes classiques soient suffisamment précises pour fournir une représentation appropriée du procédé, elles ont tendance à être coûteuses en ressources informatiques. Cela limite leur utilisation dans des cas concret, en particulier pour des études d’optimisation du procédé. L’approche pseudo inverse (API), développée dans le contexte du forgeage à froid 2D axisymétrique, fournit une estimation rapide des champs de contrainte et de contrainte dans le produit final pour une forme initiale donnée. Dans ce travail, l’API est étendue pour inclure les effets thermiques et visco-plastiques dans le procédé de forgeage ainsi que dans le cas général 3D. Les résultats sont comparés aux codes commerciaux disponibles basés sur les approches classiques pour montrer l’efficacité et les limites de l’API. Les résultats obtenus indiquent que l’API est un outil assez efficace pouvant être utilisé à la fois pour des simulations 2D et 3D du forgeage à chaud. / Hot forging is a metal forming process used to form difficult-to-form materials as well as to achieve complex geometries. The reduction of yield stress at high temperatures and a subsequent increase in formability is the primary mechanism that drives the process. Numerical methods provide an efficient means to predict the material yield and the stress/strain states of the product at different stages of forming. Although classical methods are accurate enough to provide a suitable representation of the process, they tend to be computationally expensive. This limits its use in practical cases especially for process optimization. Pseudo Inverse Approach (PIA) developed in the context of 2D axisymmetric cold forming, provides a quick estimate of the stress and strain fields in the final product for a given initial shape. In this work, the PIA is extended to include the thermal and viscoplastic effects on the forging process as well as to the general 3D case. The results are compared with commercially available software, based on the classical approaches, to show the efficiency and the limitations of PIA. The results obtained indicate that PIA is a quite effective tool that can be used for both 2D and 3D simulations of hot forging.

Les pièces métalliques constituant le circuit primaire des installations nucléaires sont élaborées par forgeage à chaud. Pendant ce procédé, les transformations microstructurales induites par la déformation et les recuits déterminent une partie des propriétés mécaniques des produits finaux. L’orientation de la microstructure lors du processus de fabrication nécessite une connaissance précise des mécanismes physiques qui opèrent dans le matériau. Dans le cas de la déformation à chaud de l’acier austénitique 304L, ces modifications microstructurales dépendent de la recristallisation dynamique discontinue (DDRX) et de la recristallisation post-dynamique (PDRX). L’objet de ce projet est : (i) l’étude de la DDRX et de la PDRX dans les conditions de déformation du procédé de forgeage, (ii) l’étude de l’influence d’un ajout de niobium sur ces mécanismes, (iii) la modélisation de ces mécanismes afin de prédire les caractéristiques de la microstructure (moyenne et distribution de la taille des grains) à l’issue d’un procédé multipasses. Dans le cadre de l’étude, les conditions de déformation rencontrées lors du forgeage à chaud sont reproduites à l’aide d’essais de torsion sur des matériaux modèles contenant des teneurs en niobium différentes. La caractérisation et la modélisation des microstructures a permis de comprendre les effets respectifs de la température, de la vitesse de déformation ainsi que de l’ajout de niobium sur les mécanismes de la DDRX et de la PDRX. Dans cette étude, une nouvelle approche semi-topologique de l’hypothèse champs moyens est développée afin de permettre la prédiction de distributions de la taille de grain cohérentes avec les données expérimentales. / Cooling system of nuclear power plants is constituted of metallic parts obtained by hot forging. Thus during the manufacturing process, the microstructural trans- formations induced by the deformation and annealing process define partially the mechanical properties of the final products. A sharp knowledge of the physical mechanisms generated within the material is required to handle the microstructure. In the case of hot deformation of 304L austenitic stainless steel, the microstructural modifications depend on the discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) and the post-dynamic recrystallization (PDRX). The aim of this project is: (i) the study of the DDRX and the PDRX under the conditions of deformation inherent in the forging process, (ii) the study of the influence of niobium addition on these mechanisms, (iii) the modeling of these me- chanisms in order to predict the microstructure characteristics (mean grain size and distribution) following a multipass process. As part of the research, the deformation conditions experienced during the hot forging process are replicated through torsion tests with model materials containing various niobium concentrations. Characterization and modeling of microstructures enable to understand the respective e ects of temperature, strain rate as well as niobium addittion on the DDRX and PDRX mechanisms. In this study, a new topological approach of mean-field hypothesis is developed in order to allow the prediction of realistic grain size distributions.

Dans le domaine du forgeage à chaud de pièces aéronautiques, les matrices en acier sont couramment rechargées, sur quelques millimètres d’épaisseur, par un alliage base cobalt (Stellite 21) déposé par procédé de soudage à l’arc (MIG). Dans le cadre de ce travail de thèse, ce rechargement « classique» est comparé à des rechargements Stellite 21 et Stellite 6 déposés par deux procédés émergents dans ce domaine, le PTA et le LASER. L’objectif est d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes d’endommagement de surface, notamment par écoulement plastique, de ces différents rechargements afin de dégager des voies d’amélioration pour augmenter la durée de vie des matrices. Pour cela, des essais tribologiques (semi-industriels et laboratoire) ont été mis en œuvre pour créer des endommagements de surface comparables à ceux observés sur matrices industrielles. Associées à ces essais, des investigations microstructurales, structurales et mécaniques multi-échelles ont été réalisées (traction, flexion, microdureté, MO, MEB, MEB-STEM, DRX, EBSD). Selon les couples « nuance/procédé » de rechargement, des mécanismes de déformation plastique par glissement des dislocations parfaites et par transformation de phase CFC en HC ont été identifiés. L’activation de ce dernier a pu être reliée à la température de transformation allotropique CFC/HC du cobalt. Cette température dépend à la fois (i) des éléments d’addition, variant en fonction de la nuance déposée (Cr, C,...), (ii) de la dilution (variation de la teneur en Fe) liée aux paramètres de soudage et (iii) du nombre de couches déposées. De plus, une influence significative de la transformation de phase sur l’évolution du coefficient de frottement a été mise en évidence. En effet, dans le cas où la transformation de phase n’est pas observée, le coefficient de frottement est stable durant l'essai alors qu'une chute de la courbe de coefficient de frottement a été reliée avec la transformation de phase CFC en HC. Parallèlement, l'écoulement plastique des dendrites est observé en extrême surface sur quelques dizaines de micromètre d'épaisseur dans la direction de glissement. Cet écoulement est associé à une forte texturation morphologique et cristallographique de la phase identifiée (CFC ou HC), avec une orientation des plans de plus grande densité atomique parallèlement à la surface de glissement. Les résultats montrent également que sous sollicitations tribologiques, un important durcissement est observé en surface (jusqu'à 90%) et une corrélation a pu être établie entre l'augmentation de la microdureté et le taux de déformation plastique. / In the field of hot forging of aeronautical parts, the steel dies are commonly hardfaced, on few millimeters thick, by a cobalt-based alloy (Stellite 21) deposited by arc welding (MIG). As part of this thesis, this "classic" hardfacing is compared to Stellite 21 and Stellite 6 hardfacings deposited by two emerging processes in this area, the PTA and the LASER one. The objective is to assess surface damage mechanisms, especially induced by plastic strain, of these various hardfacings. Tribological tests (laboratory and semi-industrial) were used to create surface damage comparable to those observed in industrial dies. Associated with these tests, multiscale microstructural, structural and mechanical investigations have been performed (tensile, bending, microhardness, OM, SEM, STEM, XRD, EBSD). According to the « material/process » couple, plastic strain mechanisms by perfect dislocation glide and by FCC to HCP phase transformation have been identified. The activation of the latter has been connected to the temperature of the allotropic phase transformation (FCC/HCP) in cobalt. This temperature depends on (i) the alloying elements, varying according to the deposited grade (Cr, C, ...), (ii) the dilution (Fe content evolution) connected to the welding parameters and (iii) the number of deposited layer. Moreover, a significant influence of the phase transformation on the evolution of the friction coefficient has been evidenced. Indeed, if the phase transformation is not observed, the friction coefficient is stable during the test, while a drop of the friction coefficient curve is connected with the FCC to HCP phase transformation. Moreover, the plastic flow of dendrites is observed at the extreme surface, on a few tens of micrometres in thickness, in the direction of sliding. It is associated with a high morphologic and crystallographic texturing of the identified phase (FCC or HCP), with the highest atomic density planes mostly oriented parallel to the sliding surface. The results also show that, under tribological laodings, a significant hardening is observed on the surface (up to 90%) and a correlation has been established between the increase in the microhardness and the plastic deformation ratio.