Modélisation de l’évolution de la microstructure et de l’intégrité de surface en usinage à grande vitesse du Ti6Al4V

Modelling of microstructure evolution and surface integrity in high speed machining of Ti6Al4V alloy

• Auteur / Autrice : Xiang Xu
• Direction : José Carlos Outeiro, Jun Zhang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM en cotutelle avec Université Jiaotong de Xi'an
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire) - Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés / LABOMAP
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Nouari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Carlos Outeiro, Jun Zhang, Domenico UMBRELLO, Madalina Wan Min, Madalina Calamaz, Ke Huang, Qinghua Song
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Domenico UMBRELLO

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Thèses et écrits académiques

Usinage

Mots clés libres

Modélisation

Usinage à grande vitesse

Ti6Al4V

Evolution de la Microstructure

Contrainte résiduelle

Intégrité de surface

Modelling

High Speed Machining

Ti6Al4V

Microstructure Evolution

Residual Stresses

Surface integrity

Résumé

Le développement rapide de l’industrie aérospatiale est la force motrice pour augmenter la productivité de fabrication en conservant la même pièce de qualité ou de performance. L’usinage à grande vitesse (HSM) de matériaux difficiles à découper comme les alliages à base de titane est un moyen d’atteindre une productivité élevée. Cependant, les mécanismes d’élimination des matériaux sont différents de l’usinage conventionnel, ce qui affecte les propriétés des couches superficielles proches de la pièce usinée également appelée intégrité de surface. Jusqu’à présent, la plupart des travaux de recherche sur l’intégrité de la surface dans l’usinage sont basés sur l’analyse phénoménologique et impliquent rarement une analyse théorique des phénomènes physiques responsables de la modification des propriétés de la couche superficielle proche.Dans ce travail de recherche, l’évolution de la microstructure et d’autres caractéristiques d’intégrité de surface (contraintes résiduelles, déformation plastique et topographie de la surface) induites par HSM de l’alliage Ti6Al4V sont étudiées en utilisant une modélisation multiéchelle et des approches expérimentales. L’approche de modélisation multiéchelle combine la simulation du processus de coupe orthogonale à la méséchelle en utilisant la méthode des éléments finis (FEM) et la simulation de la morphologie du grain à la micro-échelle en utilisant la méthode des automates cellulaires (CA).Cette approche de modélisation à plusieurs échelles est particulièrement utilisée pour simuler l’évolution de la microstructure et son influence sur la microdureté dans la zone de coupe, y compris la microstructure dans la bande de cisaillement dans les copeaux et le gradient de microstructure dans le sous-sol usiné. Les observations expérimentales des puces et des subsurfaces usinées à l’aide du microscope électronique à balayage (SEM) et du microscope électronique à transmission (met) ont permis d’identifier la recristallisation dynamique (DRX) comme mécanisme principal de raffinement du grain dans l’usinage du Ti6Al4V. Par conséquent, la morphologie du grain induite par le DRX a été simulée en utilisant la méthode CA en considérant comme données d’entrée les distributions de déformation, de vitesse de déformation et de température obtenues à partir des simulations FE du processus de coupe. Pour mener ces simulations de FE, des modèles de coupe de HSM de l’alliage Ti6Al4V sont développés en utilisant la méthode du FE et les approches lagrangienne et eulérienne couplée (CEL). Ces modèles de coupe comprenaient un modèle constitutif proposé (plasticité et dommages) tenant compte de l’état de contrainte (triaxialité et paramètre de Lode) en plus de la déformation, de la vitesse de déformation et de la température. En outre, une procédure numérique a été proposée pour simuler efficacement la formation des contraintes résiduelles dans l’usinage. Cette procédure est basée sur l’approche CEL pour simuler les phases de chargement et de déchargement, et sur l’approche lagrangienne pour simuler la phase de refroidissement.Les modèles de coupe proposés ont permis de simuler avec précision les copeaux dentelés, les forces, les contraintes résiduelles, la déformation plastique, la microstructure, la microdureté et la topographie de surface dans une coupe orthogonale de l’alliage Ti6Al4V, pour une large gamme de conditions de coupe. En particulier, la fluctuation périodique des résultats d’usinage (forces, topographie de surface, contraintes résiduelles, déformation plastique, etc.) souvent observée dans l’usinage d’alliages de titane a été prédite avec précision en utilisant cette approche de modélisation multiéchelle.

The rapid development of aerospace industry is the driven force for increasing the manufacturing productivity keeping the same part quality or event improve it. High-Speed Machining (HSM) of difficult-to-cut materials like Titanium-based alloys is a way to achieve a high productivity. However, the mechanisms of material removal are different from conventional machining, which affects the proprieties of the near surface layers of the machined part also called the surface integrity. So far, most of research works on surface integrity in machining are based on the phenomenological analysis and rarely involve a theoretical analysis of the physical phenomena responsible for the modification of the near surface layer properties.In this research work, the microstructure evolution and other surface integrity features (residual stresses, plastic strain, and surface topography) induced by HSM of Ti6Al4V alloy are investigated using multiscale modelling and experimental approaches. The multiscale modelling approach combines the simulation of the orthogonal cutting process at meso-scale using Finite Element Method (FEM) and the simulation of the grain morphology at the micro-scale using Cellular Automata (CA) method.This multiscale modelling approach is particularly used to simulate the microstructure evolution and its influence on the microhardness in the cutting zone, including the microstructure in the shear band in the chips and the microstructure gradient in the machined subsurface. Experimental observations of the chips and machined subsurfaces using scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) permitted to identify the dynamic recrystallization (DRX) as the main mechanism of grain refinement in machining of Ti6Al4V. Therefore, grain morphology induced by DRX was simulated using CA method by considering as input data the strain, strain rate and temperature distributions obtained from FE simulations of the cutting process. To conduct these FE simulations, cutting models of HSM of Ti6Al4V alloy are developed using FE method and both Lagrangian and Coupled Eulerian and Lagrangian (CEL) approaches. These cutting models included a proposed constitutive model (plasticity and damage) considering the state of stress (triaxiality and Lode parameter) in addition of the strain, strain rate, and temperature. In addition, a numerical procedure was proposed to efficiently simulate the residual stresses formation in machining. This procedure is based on CEL approach to simulate the loading and unloading phases, and the Lagrangian approach to simulate the cooling phase.The proposed cutting models permitted to accurate simulate serrated chips, forces, residual stresses, plastic strain, microstructure, microhardness and surface topography in orthogonal cutting of Ti6Al4V alloy, for a wide range of cutting conditions. In particular, the periodic fluctuation of the machining outcomes (forces, surface topography, residual stresses, plastic strain, etc.) often seen in machining Titanium alloys were accurately predicted using this multiscale modelling approach.