Résistance en fatigue de pièces en alliage Ti-6Al-4V produites par fusion laser sur lit de poudre avec de la porosité induite PDF Download
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Author: Etienne Moquin
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Author: Etienne Moquin
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Author: Eric Wycisk
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Additive manufacturing technologies are in the process of establishing themselves as an alternative production technology to conventional manufacturing, such as casting or milling. Especially laser additive manufacturing (LAM) enables the production of metallic parts with mechanical properties comparable to conventionally manufactured components. Due to the high geometrical freedom in LAM, the technology enables the production of ultra-light weight designs, and therefore gains increasing importance in aircraft and space industry. The high quality standards of these industries demand predictability of material properties for static and dynamic load cases. However, fatigue properties especially in the very high cycle fatigue (VHCF) regime until 109 cycles have not been sufficiently determined yet. Therefore, this paper presents an analysis of fatigue properties of laser additive manufactured Ti-6Al-4V under cyclic tension-tension until 107 cycles and tension-compression load until 109 cycles. For the analysis of laser additive manufactured titanium alloy Ti-6Al-4V, Woehler fatigue tests under tension-tension and tension-compression were carried out in the high cycle and VHCF regime. Specimens in stress-relieved as well as hot-isostatic-pressed conditions were analyzed regarding crack initiation site, mean stress sensitivity, and overall fatigue performance. The determined fatigue properties show values in the range of conventionally manufactured Ti-6Al-4V with particularly good performance for hot-isostatic-pressed additive-manufactured material. For all conditions, the results show no conventional fatigue limit but a constant increase in fatigue life with decreasing loads. No effects of test frequency on life span could be determined. However, independently of testing principle, a shift of crack initiation from surface to internal initiation could be observed with increasing cycles to failure.
Author: Benjamin Ellyson
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Pages : 149
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Author: Bastien Vayssette
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Les pièces de Ti-6Al-4V obtenues par SLM et EBM, souvent post-traitées par détensionnementet CIC, conservent un état de surface très rugueux qui réduit leur résistance en fatigue.L'utilisation de telles pièces pour des applications structurelles nécessite donc de comprendre et dequantifier l'effet de la rugosité sur les mécanismes d'amorçage de fissures en fatigue. Cette étude présenteune méthodologie à la fois expérimentale et numérique pour la prise en compte de l'effet de larugosité sur la résistance en fatigue à grand nombre de cycles des pièces obtenues par fabrication additive.La microstructure lamellaire d'éprouvettes SLMet EBMtraitées par détensionnement et CIC aété caractérisée grâce à des observations au microscope optique et par EBSD. Les surfaces brutes defabrication présentent une rugosité spécifique que la confrontation de différentes méthodes de mesurede rugosité (observations de coupes 2D et profilométrie) a permis de la caractériser. Le rôle decet état de surface sur la résistance en fatigue a été identifié par des essais de fatigue uniaxiaux et multiaxiauxsur surface brute, usinée ou polie chimiquement. L'analyse systématique au MEB des faciès de rupture, pour chacun des lots, a permis d'identifier les défauts de surface à l'origine de l'amorçage.Des essais de fatigue complémentaires conduits sur éprouvettes SLM surface brute, couplés à des observations MEBet des mesures de désorientations intra-grains (KAM) en fond d'entaille, ont révélé laprésence de fissures microscopiques et de zones plastiques confinées. La dernière partie de ce travailpropose une approche numérique, fondée sur des calculs E.F., visant à quantifier l'effet de la surfacesur la résistance en fatigue. Les maillages ont été construits à partir de l'acquisition de la surface(coupes 2D ; profilométrie ; tomographie) et les calculs ont été conduits en élasticité et élastoplasticité.La criticité du champ de contrainte en fatigue a été évaluée au travers d'un paramètre intégrantles forts gradients de contrainte proche de la surface grâce à une prise de moyenne volumique et lesnombreux sites potentiels d'amorçage par une statistique de valeurs extrêmes.
Author: Rayan Othmane
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« Grâce à ses multiples avantages, l’impression 3D révolutionne les méthodes de fabrication traditionnelles. Elle permet la production des pièces mécaniques à géométrie très complexe, plus légères et très résistantes. Lors de l’impression d’une pièce, seule une partie de la poudre étalée est fusionnée. La poudre non fusionnée peut ensuite être tamisée et réutilisée. Cette étude porte sur les effets du procédé de fusion de la poudre (L-PBF) et du recyclage de la poudre sur les caractéristiques de la poudre d’acier maraging et sur les propriétés mécaniques des pièces. Ce mémoire est structuré autour des deux articles qui ont été rédigés dans le cadre du projet. Le premier article présente les résultats de trois expériences relatives à l’analyse des effets du procédé de fusion sur les caractéristiques de la poudre. La première démontre que la taille des particules de poudre n’est pas uniforme dans le volume d’impression. Il est aussi démontré que la diminution de l'espacement entre les pièces imprimées change la distribution de la taille des particules (PSD) en augmentant la proportion de grosses particules. La dernière expérience montre que plus la structure des pièces en treillis est dense, plus le PSD et la morphologie du lit de poudre sont affectées. Ainsi, après douze cycles de recyclage, la taille des particules augmente et leur morphologie est dégradée. Le deuxième article évalue les effets du recyclage de la poudre sur les propriétés mécaniques des pièces. Après 8 cycles d’impression, la taille des particules de poudre a augmenté, la morphologie des particules est changée et les propriétés en traction et en fatigue sont restées globalement constantes. Cependant, l'écart type de la limite d'endurance des éprouvettes fabriquées avec la poudre recyclée 8 fois est plus faible que celui obtenu avec les éprouvettes issues de la poudre neuve. Enfin, l'analyse fractographique montre que les pièces fabriquées à partir de la poudre recyclée présentent plus défauts d’impression que les pièces fabriquées avec de la poudre neuve. -- Mot(s) clé(s) en français : Fabrication additive, procédé de fusion laser à lit de poudre (L-PBF), recyclage de la poudre, morphologie de la poudre, distribution de la taille des particules (PSD), pièces en treillis (lattices), éclaboussures. »--
Author: Achraf Ayed (docteur en sciences des matériaux).)
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Depuis son émergence, l'utilisation de la fabrication additive métallique dans des domaines industriels de pointe, comme l'aéronautique ou le spatial ne cesse de croître. Les développements se sont d'abord focalisés sur les technologies à base de lit de poudre, entrainant rapidement leur adoption dans de nombreux secteurs. La maîtrise de celles à base de fil reste cependant moins avancée de nos jours. Ces travaux de thèse sont motivés par la quête d'une maîtrise de ces technologies afin de construire des pièces métalliques de grandes dimensions en alliage Ti-6Al- 4V. Il s'agit d'explorer les possibilités des procédés WAAM CMT et LMD-w. Pour cela, une approche basée sur le triptyque « procédé - métallurgie - mécanique » est suivie. Dans la première partie de l'étude, une définition du plan de fonctionnement des procédés « Cold Metal Transfer » et « Laser Metal Deposition » est effectuée. Des analyses morphologiques, métallurgiques et mécaniques poussées ont permis de connaitre les principales caractéristiques des monocordons obtenus et de les relier aux paramètres procédés d'ordre 1. La deuxième partie de l'étude s'intéresse à la juxtaposition et l'empilement de ces monocordons pour l'obtention de blocs en trois dimensions. L'impact de la stratégie de construction des massifs 3D est étudié et les caractérisations de la santé matière effectuées ont permis de valider la méthodologie développée dans le cadre de cette thèse. Les caractéristiques macro et microstructurales, et les propriétés mécaniques de ces massifs font l'objet d'une étude poussée. Ces résultats sont mis en perspectives et les deux procédés sont confrontés. Les domaines de fonctionnement de ceux-ci sont déterminés et leurs particularités énergétiques sont étudiées à l'aide d'outils de simulation.
Author: Théo Persenot
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Pages : 191
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Nowadays, reducing the energy consumption is crucial for most of the industries. For transportation industries, it can be achieved through weight reduction. In this context, cellular structures turn out to be one of the most efficient solution. Thanks to the development of additive manufacturing, producing such complex geometries is no longer an issue. However, their use will remain limited as long as their fatigue performances are not known. This PhD work aimed at understanding the mechanisms that govern the fatigue behaviour of such cellular structures. It was first decided to focus on their unitary element, i.e. a single strut. Single struts samples were manufactured by Electron Beam Melting and then characterized in as-built conditions using different experimental techniques (X-ray tomography, optical and electron microscopy, etc.). Their static and cyclic tensile properties were then evaluated. The rough surface and in particular notch-like defects were found to be responsible for the knockdown of the mechanical properties. Regarding the fatigue resistance, their detrimental impact was predicted using Kitagawa diagrams. It also enabled to explain the impact of the build orientation. Different post-treatments were used in order to improve these mechanical properties. Chemical etching and ultrasonic shot peening (USP) significantly reduced the severity of surface defects of as-built thin struts and thus increased their mechanical properties. After USP, the fatigue properties of machined samples were almost matched. Hot Isostatic Pressing lead to the closure of all internal defects and to the coarsening of the microstructure. When combined with one of the surface treatments, the fatigue properties were further improved. Finally, a method enabling to systematically and automatically extract from the surface the most critical defects and quantitatively analyze their influence on fatigue life was proposed and discussed. It was successfully applied to chemical etched samples but improvements are mandatory for other surface conditions.
Author: Baicheng Zhang
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Au cours de la dernière décennie, le procédé de fabrication additive par fusion sélective d'un lit de poudre SLM a attiré une grande attention dans le domaine de l'industrie, car il permet de produire rapidement des pièces de formes complexes. Le but de ce travail est d'étendre les performances des procédés SLM en étudiant la possibilité d'élaborer des pièces en atmosphère raréfiée. Pour atteindre cet objectif, une approche théorique et expérimentale a été développée, avec la mise en place d'une machine de fusion sélective par laser capable de travailler dans le domaine de pression de 1 à 10-2 mbar.Le travail sous vide permet d'éviter la formation du "bouclier" de plasma généré à partir de l'atmosphère de gaz ionisé par l'énergie du laser. Ceci permet d'une part d'éviter la contamination chimique du matériau (oxydation, nitruration,...) au cours des processus de fusion et d'autre part de réduire le taux de porosité. L'effet des paramètres du laser et des variables d'environnement sur la qualité de pièces a été étudié en considérant le cas du fer pur, de l'acier Inox 316L et du titane.Par ailleurs nous avons étudié la possibilité d'obtenir des alliages in-situ au cours de la fabrication par la technique SLM à partir de mélanges de poudres.Des essais ont été conduits à partir de mélanges Mg/Al, Fe/Ni et Ti/Ni. Dans tous les cas nous avons pu obtenir des alliages in-situ pour les domaines de composition visés qui correspondent à des applications pratiques (structures légères, alliage magnétique à faible coercivité, alliage à mémoire de forme). Les propriétés des matériaux obtenus, d'après les premières caractérisations effectuées, se comparent de façon favorable par rapport aux techniques classiques d'élaboration et de mise en œuvre.
Author: Claudia Salvan
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Le CuCrZr est un alliage à durcissement structural utilisé pour ses bonnes propriétés électriques et thermiques combinées à des propriétés mécaniques élevées. La fabrication additive, via le procédé de fusion laser sur lit de poudre (ou FLLP), offre de son côté la possibilité de construire des pièces particulièrement complexes et permettrait par exemple, la réalisation d'échangeurs de chaleur plus compacts et plus efficaces. Cependant, la forte réflectivité optique de l'alliage à la longueur d'onde des lasers standards et sa forte conductivité thermique nécessitent l'utilisation de densités d'énergie très élevées, ce qui n'est pas toujours possible ni même souhaitable au regard du coût environnemental et du risque d'endommagement des machines que cela entraine.Les travaux de cette thèse visent à (i) réduire la réflectivité de la poudre par oxydation contrôlée des particules, (ii) optimiser les paramètres procédés afin d'obtenir des pièces denses sur 2 technologies de machine de puissances laser différentes (iii) comparer les microstructures des CuCrZr FLLP avant/après traitement thermique avec celles de deux références, CuCrZr forgé et CuCrZr obtenu par Compaction Isostatique à Chaud (CIC) et (iv) expliquer l'origine des propriétés mécaniques des CuCrZr FLLP en s'appuyant sur des analyses microstructurales MEB-EBSD et MET tout en discutant les contributions respectives des différents mécanismes de durcissement mis en jeu à l'aide d'un modèle mécanique.Nos travaux montrent les liens entre la nature et l'épaisseur de la couche d'oxyde en surface des particules et les propriétés de réflectivité optique et d'écoulement de la poudre. Cette thèse présente les propriétés microstructurales, mécaniques (dureté et traction à 20°C et 250°C), électriques et thermiques de CuCrZr FLLP avant et après deux traitements thermiques (un traitement composé d'une mise en solution, d'une trempe et d'un revenu, et un autre composé d'un simple revenu), et les compare à celles des CuCrZr de référence. Nous avons aussi montré qu'un simple revenu appliqué aux pièces FLLP permet d'obtenir des propriétés mécaniques très élevées (dureté de 184 HV1, Rp0,2 de 527 MPa, Rm de 585 MPa) tout en conservant un allongement non négligeable (14%) et de bonnes propriétés électrique (42 MS.m-1) et thermique (375 W.m-1.K-1 à 100°C). Elles s'expliquent principalement par : (i) la présence, dans le matériau brut FLLP, d'une solution solide sursaturée dans laquelle la totalité du Cr est dissoute permettant, après revenu, d'obtenir une très forte densité de nano-précipités, et donc un fort durcissement structural, (ii) la présence d'une forte densité de dislocations associées aux cellules de solidification, caractéristiques de l'état brut de FLLP, mais largement préservées par le simple revenu.
Author: Olivier Andreau
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Le procédé de fusion laser sélective de lit de poudre, également appelé SLM, permet de fabriquer des pièces métalliques en fusionnant des couches de poudre. Cette méthode novatrice donne accès à un large éventail de pièces aux géométries complexes, permettant notamment d'alléger les structures. Toutefois, la bonne tenue mécanique de ce type de pièces, en particulier dans le domaine de la fatigue, reste un enjeu industriel majeur. Les pièces élaborées par SLM peuvent en effet contenir des pores (débouchants ou internes) pouvant détériorer leurs propriétés mécaniques. Les travaux réalisés ont pour but de caractériser l'influence de défauts poreux sur l'endurance en fatigue à grand nombre de cycles de pièces en acier 316L fabriquées par SLM, et s'articulent autour de trois parties. La première consiste à identifier les paramètres de fabrication SLM contrôlant la densification et la microstructure des pièces. Une distinction sera faite entre les différents types de pores créés, dont la morphologie et les dimensions dépendent des conditions énergétiques de l'interaction laser-matière. Les pores créés seront mis en perspective par la microstructure du matériau brut, dont l'orientation cristallographique et la taille de grain est principalement reliée au recouvrement et la morphologie des cordons. Le deuxième aspect des travaux a consisté à utiliser les résultats de la recherche paramétrique pour générer des éprouvettes de fatigue contenant différentes populations de défauts aléatoires (stochastiques) internes observées en tomographie à rayons X, tout en conservant des microstructures similaires. L'influence relative des populations de défauts internes créées sur l'endurance en fatigue est quantifiée et comparée à la tenue d'éprouvettes optimisées contenant un taux de porosité minimal. Enfin, des défauts modèles internes (déterministes) aux dimensions variables, et dont la position et la morphologie sont contrôlées, ont été générés après optimisation paramétrique dans des pièces denses. Un seuil d'amorçage sur défaut interne par rapport aux défauts de surface a ainsi pu être dégagé, et pourrait être lié à l'environnement gazeux local lors de l'amorçage et la propagation de la fissure.
