Modélisation du procédé de projection laser : Application au Ti-6Al-4V

Modeling of direct laser deposition process : Ti64 application

• Auteur / Autrice : Arnaud Longuet
• Direction : Georges Cailletaud, Christophe Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khémais Saanouni, Patrick Villechaise, Eric Boillat, Patrice Peyre, Benoît Appolaire, Gilles Surdon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Contraintes résiduelles

Lasers

Résumé

La projection laser permet de fabriquer directement à partir des données CAO des pièces complexes, dont les dimensions sont proches des cotes finales. Le procédé s’accompagne néanmoins d’importantes variations locales de température, à l’origine d’une microstructure hétérogène, et de contraintes résiduelles difficiles à maîtriser. Une bonne manière d’aider au développement du procédé est de mettre en place sa simulation numérique, afin de prévoir la microstructure et les contraintes résiduelles. Le matériau de l’étude est le Ti-6Al-4V. La forme choisie pour l’étude est un mur constitué par la superposition de monocordons. Une méthode robuste pour ajouter la matière a été mise en place dans Zset/ZéBuLoN afin de mener à bien la simulation du procédé qui se déroule en trois parties : une partie thermique, métallurgique puis mécanique. La première partie consiste en un calcul thermique par éléments finis. En effet, le problème est faiblement couplé avec la mécanique et la métallurgie et la température solution de la simulation thermique du procédé sera la donnée d’entrée pour les calculs métallurgiques et mécaniques. Le calcul thermique a été calibré avec succès grâce à des mesures réalisées par thermocouples. Un modèle métallurgique permettant de suivre la concentration en l’élément chimique contrôlant la cinétique du changement de phase (ie : le Vanadium dans le Ti-6Al-4V) a été mis au point. De plus, le procédé permet d’obtenir expérimentalement deux structures de grains différentes : colonnaire ou équiaxe. Un modèle s’appuyant sur les cartographies de solidification du Ti-6Al-4V a été implémenté de façon à prédire la morphologie des grains. Ces deux modèles métallurgiques ont été validés en les comparant aux valeurs trouvées par Julie Maisonneuve dans ses travaux de thèse. Finalement, un modèle mécanique permet de prévoir les déformations et les contraintes résiduelles dans la pièce après fabrication. Ce modèle a été validé en analysant la déflexion du substrat obtenue lors de la projection d’un mur. Il permet de rendre compte correctement des variations macroscopiques des différentes grandeurs mesurables au cours de la construction d’une pièce par projection laser, et d’avoir accès aux champs résiduels.

Direct laser deposition technology is an innovative process which allows near net shape part manufacturing directly from computer aided design data. However, local variations of temperature during manufacturing produce heterogeneous microstructures and residual stresses. In order to improve understanding of the process and to predict the residual stresses and strains in the part after manufacturing, a finite element modeling of the process has been developed. The material considered here is Ti-6Al-4V. As it is well known in the litterature, it allows to perform a macroscopic modeling of the process. The manufacture of a single row wall has been considered as a basis for the simulation. This part remains simple but still exhibits the thermomechanical cycling that happens during manufacturing. A robust method that includes a technique to activate the elements has been implemented in Zset/ZéBuLoN in order to simulate the process. The first step of the finite element simulation is the computation of the thermal fields. In fact the problem is weakly coupled and the thermal simulation of the process will be an input for the metallurgical and the mechanical part of the model. The thermal calculations have been successfully calibrated by means of thermocouple measurements. Considering the important thermal cycling, a Johnson-Mehl-Avrami model would be too limited to describe the phase transformations. A model taking into account the diffusion of Vanadium through the phases in Ti-6Al-4V has been designed. Morover the process shows different kind of grain structure : columnar or equiaxed. A model relying on solidification map of Ti-6Al-4V has been implemented. These two models have been successfully compared to Julie Maisonneuve’s PhD thesis work. Finally, a mechanical model predicts the residual strains and stresses in the part during manufacturing. This model has been validated by analysing the bending of the substrate in the experiments. It provides a good prediction of the variation of the macroscopic values at stake during the manufacturing of a part with direct laser deposition process and gives access to the residual fields.