Caractérisation des structures de solidification obtenues par fabrication additive métallique : étude des relations entre le procédé, la microstructure et l’anisotropie des propriétés mécaniques

Characterization of solidification structures obtained by Selective Laser Melting : relationships between manufacturing process, microstructure and anisotropy of mechanical properties

• Auteur / Autrice : Caroline Widomski
• Direction : Anne-Laure Helbert, Denis Solas, Thierry Baudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ioana Popa, Justin Dirrenberger, Olivier Hubert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ioana Popa, Justin Dirrenberger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Titane -- Alliages

Prototypage rapide

Mots clés libres

SLM

Ti-6AI-4V

Texture

Anisotropie des propriétés mécaniques

EPSC

Powder bed fusion

SLM

Ti-6Al-4V

Texture

Anisotropy of mechanical properties

EPSC

Résumé

Le procédé de fabrication additive par fusion sur lit de poudre (SLM) intéresse particulièrement le domaine de l’industrie car il permet de produire des pièces aux géométries complexes en une seule étape. Le but de ce travail est d'étendre les performances du procédé SLM en étudiant une nouvelle stratégie d’élaboration appelée Laser Boost et de caractériser l’anisotropie des propriétés mécaniques qui se développe dans l’alliage de titane Ti-6Al-4V. Cette nouvelle stratégie a révélé son potentiel industriel avec une productivité doublée par rapport aux stratégies SLM conventionnelles tout en conservant des caractéristiques métallurgiques et des propriétés mécaniques similaires. Une étude expérimentale complète a permis de mettre en lien la texture cristallographique et le comportement mécanique anisotrope. Lors de la solidification de la phase β, la stratégie d’élaboration Laser Boost génère une forte texture cristallographique de type cube tournée de 45°/Z qui va piloter l’anisotropie des propriétés mécaniques. En tirant parti de cette texture, il est possible d’obtenir un gain de limite d’élasticité proche de 15%. Suite à ces résultats, nous avons développé un modèle auto-cohérent permettant de simuler le comportement anisotrope élasto-plastique du matériau, à partir des mécanismes de plasticité de la phase α tout en tenant compte de la texture de solidification de la phase β qui dépend directement de la stratégie de fabrication. La comparaison entre les résultats obtenus avec ce modèle et les résultats expérimentaux a permis de valider ce modèle qui a ensuite pu être appliqué afin de prévoir l’anisotropie induite par une autre stratégie d’élaboration. Pour finir, cette anisotropie est décrite à l’aide du formalisme de Hill. La prise en compte de la texture de solidification induite par la stratégie permet de prévoir l’anisotropie du matériau et d’en tenir compte en amont de la fabrication ou lors de étapes d’optimisation morphologique.

The selective laser melting process (SLM) is of particular interest to the industry as it allows the production of parts with complex geometries in a single step. The aim of this work is to extend the performance of the SLM process by studying a new development strategy called Laser Boost and to characterize the anisotropy of the mechanical properties that develops in the titanium alloy Ti-6Al-4V. This new strategy has revealed its industrial potential with double productivity compared to conventional SLM strategies while maintaining metallurgical characteristics and competitive mechanical properties. A complete experimental study allowed to link the crystallographic texture and anisotropic mechanical behavior. During the solidification of the β phase, the Laser Boost development strategy generates a strong 45°/Z cube crystallographic texture that will drive the anisotropy of mechanical properties. By taking advantage of this texture, it is possible to obtain a 15% yield strength gain. Following these results, we developed a self-consistent model to simulate the elasto-plastic anisotropic behaviour of the material, From the plasticity mechanisms of phase α while taking into account the solidification texture of phase β which directly depends on the manufacturing strategy. The comparison between the results obtained with this model and the experimental results allowed to validate this model which could then be applied to predict anisotropy induced by another development strategy. Finally, this anisotropy was described using Hill’s formalism. Taking into account the solidification texture induced by the strategy, it is possible to predict the anisotropy of the material and to anticipate the mechanical behaviour of a part upstream of manufacturing or during morphological optimization steps.