Développement de l'outil de coupe revêtu Hf-B et Hf-B-N pour l'usinage à grande vitesse d'alliages de titane

The simulation and design of hard coatings for high speed cutting tool

• Auteur / Autrice : Haisheng Lin
• Direction : Mohamed-Abdou Djouadi, Chengyong Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 30/05/2019
• Etablissement(s) : Nantes en cotutelle avec Guangdong university of technology (Canton (Chine))
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Qimin Wang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tongchun Kuang, Abdelouahad Chala, Bertrand Garnier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tongchun Kuang, Abdelouahad Chala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage à très grande vitesse

Résistance des matériaux

Couches minces

Titane -- Alliages

Mots clés libres

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Résumé

Les alliages de titane ont été largement utilisés dans les domaines de l'aéronautique, de l'automobile, et al. en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques. Cependant, ce sont aussi des matériaux difficiles à couper en raison de leur résistance élevée, de leur faible conductivité thermique, de leur grande réactivité chimique, etc. L'usure rapide des outils lors de l'usinage à grande vitesse des alliages de titane entraîne une faible efficacité de production et un coût élevé. L’objectif de cette thèse est de développer le revêtement d’outil en carbure cémenté spécifique à l’usinage à grande vitesse des alliages de titane. Les résultats de la recherche expérimentale ont montré que la résistance de l’adhésion au titane était la propriété nécessaire du carbure cémenté revêtu lors de l’usinage à grande vitesse d’alliages de titane. Les revêtements des systèmes Hf-B et Hf-B-N ont été mis en avant en tenant compte des propriétés requises. La prédiction de structure, les propriétés élastiques / plastiques, la résistance au titane de ces deux systèmes ont été calculées et simulées par le premier calcul de principe et la dynamique des molécules ab initio. Un revêtement avec les propriétés et les structures requises a été déposé sur les carbures cémentés grâce à l’optimisation des processus de pulvérisation magnétron et des technologies de caractérisation associées. De plus, les performances de coupe de l'outil revêtu lors de l'usinage à grande vitesse d'alliages de titane ont été évaluées et les résultats ont montré que les nouveaux outils revêtus développaient d'excellentes performances de coupe avec une durée de vie prolongée, une force de coupe réduite et une qualité de surface améliorée.

Titanium alloys have been widely used in the fields of aeronautics, automotive, et al. due to its excellent combining physical and chemical properties. However, they are also difficult-to-cut materials because of high strength, low thermal conductivity, high chemical reactivity, et al. Rapid tool wear during the high speed machining of titanium alloys leads to low production efficiency and high cost. The aim of this thesis is to develop the coating of cemented carbide tool specific for the high speed machining of titanium alloys. The demanding properties of the coated cemented carbide during high-speed machining of titanium alloys under green cooling strategies were revealed by the experimental research. The results shown that adhesion resistance to titanium is the necessary property. Coatings of Hf-B and Hf-B-N system were put forwarded by considering the properties required. Structure prediction, elastic/plastic properties, titanium resistance of these two systems were calculated and simulated by the first principle calculation and ab initio molecule dynamics. Coating with required structures and properties were deposited on the cemented carbides through the optimization of magnetron sputtering processes and related characterization technologies. Moreover, the cutting performance of the coated tool during the high-speed machining of titanium alloys was evaluated, and the results showed that the newly developed coated tools had excellent cutting performance with extended tool life, reduced cutting force and improved surface quality.