Fabrication additive par Arc-Fil et Laser-Fil de l'alliage Ti-6AL-4V : relations procédés - microstructures - propriétés

Additive manufacturing by Wire-Arc and Laser-Wire of Ti-6Al-4V alloy : process - microstructure – properties relationships

• Auteur / Autrice : Achraf Ayed
• Direction : Joël Alexis, Yannick Balcaen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 31/05/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Andrieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Alexis, Yannick Balcaen, Eric Hug, Angéline Poulon, Simon Perusin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Paillard, Frédéric Deschaux-Beaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Titane -- Alliages

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Dépôt par Arc-fil

Dépôt par Laser-fil

Alliage Ti-6Al-4V

Procédés

Métallurgie

Propriétés mécaniques

Additive manufacturing

Arc-wire deposition

Laser-wire deposition

Ti-6Al-4V alloy

Process

Metallurgy

Mechanical properties

Résumé

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.

Since its emergence, additive manufacturing processes interest is constantly growing in advanced industries, such as aeronautics and space. The developments initially focused on powder bed technologies leading to their quick implementation in several industrial fields. However, wire-based technologies remain far less advanced. The present work is motivated by a improvement of such technologies to manufacture large scale metallic parts in Ti-6Al-4V alloy. It's aimed to explore WAAM CMT and LMD-w processes specificities. An approach based on the “Process – Metallurgy – Mechanics” relations is followed. In the first part of the study, a definition of the processability of « Cold Metal Transfer » and « Laser Metal Deposition » processes is carried out. Advanced morphological, metallurgical and mechanical analysis made it possible to highlight main characteristics of obtained single deposits and to put them in relations with first order process parameters. The second part of the study is about the juxtaposition and stacking of these single deposits to obtain three-dimensional blocks. The impact of the construction strategy is studied, and the characterizations of material soundness allowed to validate the methodology developed in this thesis. The macro and microstructural characteristics and the mechanical properties of these parts are the subject of an advanced study. These results are put into perspective and the two processes are compared. The operating ranges of these process are determined and their energetic characteristics are investigated thanks to simulation tools.