Etude et optimisation des conditions de refroidissement de pièces en alliage de titane obtenues par le procédé de formage superplastique

Study and optimization of cooling conditions of titanium alloy parts manufactured by superplastic forming process

• Auteur / Autrice : Maxime Rollin
• Direction : Luc Penazzi, Vincent Velay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 04/02/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Thuillier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Penazzi, Vincent Velay, Jean-Michel Bergheau, Donato Sorgente, Frédéric Deschaux-Beaume, Michel Bellet, Thomas Pottier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Bergheau, Donato Sorgente

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Refroidissement

Simulation

Titane -- Alliages

Mécanique

Transfert de chaleur

Formage superplastique

Mots clés libres

Formage superplastique - SPF

Refroidissement

Échanges thermiques

Comportement mécanique

Alliage de titane

Simulation numérique

Superplastic forming - SPF

Cooling

Heat transfers

Mechanical behavior

Titanium alloy

Numerical simulation

Résumé

Les nouveaux programmes de l'industrie aéronautique font appel pour de nombreuses applications à des pièces en alliage de titane. C'est notamment le cas pour des pièces d'entrée d'air et carénages du mât réacteur. Certaines de ces pièces sont obtenues par mise en forme à chaud, notamment par le procédé de formage superplastique (SPF). L'analyse des différentes opérations de fabrication a mis en évidence des variabilités de conditions opératoires lors du défournement. Une des voies d'amélioration concerne une meilleure maîtrise des conditions de refroidissement et de manipulation des pièces après mise en forme à chaud. Cette thèse a pour but de développer un modèle éléments finis pour modéliser l’étape de défournement de tôles en alliage de titane Ti-6Al-4V formées avec le procédé SPF. Cette étape de refroidissement, combinée au chargement mécanique subi lors de l’extraction, génère des distorsions des pièces en fin de processus de fabrication. Une première étape a consisté à caractériser le comportement du matériau dans les conditions du procédé de façon à identifier un modèle de comportement qui est ensuite implémenté dans un code éléments finis. Une deuxième étape a visé à reproduire, mesurer et caractériser les échanges thermiques en présence lors des différentes phases du défournement pour définir les conditions limites thermiques du modèle. Pour finir un modèle global du procédé de formage, défournement et détourage a été développé et appliqué à une pièce industrielle. Ce modèle a permis de mettre en évidence l’importance du chargement thermomécanique subi par la pièce au cours du défournement.

The new programs of aeronautical industry use titanium alloy parts for many applications. This is particularly the case for panels, air inlets and fairings parts of pylons. Some of these parts are obtained by hot forming, in particular by the superplastic forming process (SPF). The analysis of the different manufacturing operations has highlighted variability in the operating conditions during the unmolding process. One way of improvement is to a better control of the conditions of cooling and handling of the parts after the forming stage. The purpose of this thesis is to implement a finite element model to reproduce the pot-forming steps of sheet metal in Ti-6Al-4V titanium alloy formed with the SPF process. The cooling step combined with the mechanical loading encountered during the extraction generates distortions of the parts at the end of the manufacturing process. A first step consisted in characterizing the material behavior under the process conditions so as to identify a rheological law implemented in a finite element code. A second step aimed to reproduce, measure and characterize the heat transfers present during the different phases of unloading to define the thermal boundary conditions of the model. Finally, a global model of the forming, unmolding and trimming steps was developed and applied to an industrial part. This model has enabled to highlight the importance of the thermomechanical loading undergone by the part during the cooling and part removing operations.