Étude expérimentale de la tenue en fatigue de l’alliage AlSi10Mg élaboré par fusion laser de lit de poudre

Experimental Study of the Fatigue Behavior of the Alsi10mg Alloy Produced by Powder-Bed Laser Melting

• Auteur / Autrice : Julius-Noël Domfang Ngnekou
• Direction : Gilbert Hénaff, Yves Nadot, Julien Nicolaï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 04/09/2019
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Zodiac Aerospace Intertechnique - Plaisir
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Favier, Lionel Ridosz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Desrayaud, Franck Morel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Microtomographie

Microstructure (physique)

Métaux -- Rupture

Métaux -- Défauts

Aluminium -- Fonderie

Aluminium -- Alliages

Alliages -- Fatigue

Mots clés libres

AlSi10Mg

Rugosité et ondulation de surface

Limite de fatigue

Fissures naturelles

AlSi10Mg

Roughness and surface ripple

Fatigue limit

Natural cracks

Résumé

Ce travail montre l'impact des défauts et de la microstructure sur la limite de fatigue de l’AlSi10Mg de fabrication additive (FA). Les échantillons d’étude sont fabriqués suivant trois orientations (0 °, 45 ° et 90 °) ; les surfaces d’étude sont usinées ou brutes de fabrication. Les éprouvettes sont étudiées avec ou sans traitement thermique T6. Avant toute chose, le matériau est d’abord caractérisé en lien avec les paramètres du procédé à l’aide de plusieurs moyens (microscopie, microtomographie). Du point de la fatigue, les courbes S-N sont établies avant et après T6, principalement à R = -1 en sollicitation uniaxiale. Pour toutes les éprouvettes d’étude, l’analyse des faciès montre que ce sont toujours les défauts qui sont à l’origine de la rupture par fatigue. Ainsi, un critère est appliqué pour définir ces défauts critiques (type, taille morphologie et position) et la limite de fatigue est systématiquement analysée via les diagrammes de Kitagawa. Le rôle de la direction de construction sur la tenue en fatigue est étudié, avant et après traitement thermique T6, tant pour les surfaces usinées que brutes de fabrication. À cet effet, un scénario basé sur la taille caractéristique des grains est proposé pour expliquer les effets d’orientation post-T6. La contribution de la structure de précipitation est également étudiée ; ainsi que le rôle des défauts (type, taille, morphologie et position) sur la limite de fatigue à différents états microstructuraux : avant et après T6. Afin de comprendre les mécanismes d’endommagement par fatigue en surface, la méthode des répliques est déployée sur une éprouvette polie. Dans ce cadre, une loi de propagation des fissures naturelles, c'est-à-dire qu'elles sont dues à un défaut hérité du procédé, est identifiée. Elle permet de séparer les phases d’amorçage et de propagation, alimentant ainsi les discussions sur les phénomènes d’amorçage en présence de défauts. Par ailleurs, quelques critères de fatigue sont également discutés et l’approche Defect Stress Gradient (DSG) est adaptée au matériau d’étude en tenant compte de la taille des grains cristallographiques. Pour les sections utiles brutes de fabrication, le rôle du mode de suppression des supports fabrication sur l’amorçage des fissures de fatigue est étudié ; la définition de la notion de taille de défauts en présence de la rugosité, à l’échelle de l’ondulation de surface, est abordée. Sachant que l’amorçage peut avoir lieu sur une ondulation de surface ou sur un défaut isolé (porosité ou défaut de fusion), une méthode expérimentale est proposée pour analyser la compétition entre ces facteurs. Dans un contexte de développement industriel, l’influence sur la limite de fatigue des paramètres de procédé relatifs au laser (vitesse de balayage, puissance et distance de hachure), au lit de poudre (composition chimique, taille des particules, épaisseur du lit) est étudiée, en vue d’alimenter les discussions vers l’optimisation du procédé du point de vue de la tenue en fatigue.

This work shows the impact of defects and microstructure on the fatigue limit of AlSi10Mg produced by Additive Layer Manufacturing (ALM). Samples are produced according to three orientations with respect to the construction plate (0 °, 45 ° and 90 °); the studied surfaces are machined or left as-built (AB) in the gauge section. The specimens are studied with or without T6 heat treatment. The study surfaces are machined or as built. Some specimens are subjected to T6 heat treatment. Before any others study, the material is characterized in connection with the process parameters through several techniques (microscopes and 3D X-ray microtomography). Regarding the fatigue, the S-N curves are established before and after T6, mainly at R = -1 under uniaxial loading. For all the fatigue test specimens, fracture surfaces analysis shows that it is always a defect that cause fatigue failure. Thus, a criterion is applied to define these critical defects (type, size morphology and position) and the fatigue limit is analyzed through the Kitagawa type diagrams. The role of the building direction on the fatigue strength is studied, before and after T6 heat treatment, for both machined and as-built surfaces. For this purpose, a sketch based on the characteristic grain size is proposed to explain post-T6 orientation effects. The contribution of the precipitation structure is also studied; as well as the role of defects (type, size, morphology and position) on the fatigue limit at different microstructural states: before and after T6. In order to understand the surface fatigue damage mechanisms, the replica method is used on a polished specimen. In this context, a propagation law of natural cracks, that is to say due to a defect inherited from the process, is identified. It makes it possible to separate the initiation and propagation phases, thus feeding the discussions on the phenomena of priming in the presence of defects. In addition, some fatigue criteria are also discussed and the Defect Stress Gradient (DSG) approach is adapted to the studied material, by taking into account the size of the crystallographic grains. In the specific case of specimens with as-built useful sections, the role of the process of suppression of the building supports on the initiation of fatigue cracks is studied; the definition of the concept of defect size in the presence of roughness, at the scale of the surface undulation, is discussed. Knowing that initiation can occurs on a surface undulation or on an isolated defect (porosity or lack-of-fusion), an experimental method is proposed to analyze the competition between these factors. In a context of industrial development, the influence on the fatigue limit of the process parameters, related to the laser (scanning speed, power and hatching distance), or powder bed (chemical composition, particle size, bed thickness) is studied, in order to feed the discussions towards the process optimization regarding the fatigue strength.