Impact de l’intégrité de surface de composants aéronautiques en Ti-6Al-4V produits par L-PBF, parachevés ou non, sur la durée de vie en fatigue

Surface integrity effect of L-PBF fabricated Ti-6Al-4V aeronautical parts on fatigue life, with and without finishing process

• Auteur / Autrice : David Mellé
• Direction : Etienne Pessard, Franck Morel, Daniel Bellett, René Billardon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire LAMPA (Laboratoire Arts et Métiers ParisTech d’Angers) - Laboratoire LAMPA (Laboratoire Arts et Métiers ParisTech d’Angers)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Laheurte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Pessard, Franck Morel, Daniel Bellett, René Billardon, Pascal Laheurte, Philippe Bocher, Yves Nadot, Myriam Brochu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Bocher, Yves Nadot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Titane -- Alliages

Thèses et écrits académiques

Aéronautique -- Recherche

Mots clés libres

Fabrication additive

Surface

Fatigue

Fusion laser

Parachèvement

Ti-6Al-4V

Additive manufacturing

Surface

Fatigue

Laser beam melting

Finisging process

Ti-6Al-4V

Résumé

La fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) est un procédé en plein essor, notamment dans le domaine aéronautique, en raison des gains substantiels qu’il permet sur la masse des composants. En revanche, ce procédé n’est encore que peu utilisé sur des composants structurellement chargés du fait des états de surface significativement rugueux qu’il engendre. Ces états de surface sont problématiques notamment du point de vue de la tenue en fatigue. Afin d’améliorer cette tenue, des traitements de parachèvement des surfaces sont donc développés. L’objectifs de ces travaux de thèse est d’étudier la tenue en fatigue de l’alliage de titane Ti-6Al-4V produit par L-PBF, en présence de différents états de surface produits par parachèvement chimique. Pour ce faire, une vaste campagne expérimentale, menée en deux phases, sur plusieurs géométries d’éprouvettes et sur de multiples états de surface est mise en œuvre. Les différents mécanismes d’amorçage des fissures de fatigue sont identifiés, ainsi que leurs évolutions en fonction du temps de parachèvement. Une large dispersion matériau est révélée et discutée. Une modélisation déterministe basée sur un diagramme de Kitagawa-Takahashi et un modèle de El-Haddad et Topper, étendu aux durées de vies limitées, est proposée. Celle-ci permet d’établir le lien entre porosité critique, contrainte admissible et durée de vie. Une méthode innovante d’identification de ce modèle, sans avoir recours à l’intégration d’une loi de propagation de fissure, est utilisée. La possibilité d’identifier une porosité critique au sein d’une population d’irrégularités de surface est aussi étudiée. Plusieurs indicateurs basés sur les caractéristiques géométriques des porosités et vallées de surface composant cette population sont évalués à cette fin. Tous sont mis en défaut du fait de la forte variabilité de la tenue intrinsèque locale du matériau. De premiers éléments de modélisation probabiliste permettant de tenir compte de cette dispersion matériau sont proposés.

Laser powder bed fusion (L-PBF) is an additive manufacturing process that has boomed in recent years, especially in the aerospace industry due to the high potential gains that can be made in terms of mass. However, this process is still not extensively used to manufacture structurally loaded components because of the high surface roughness it generates. These surface states are an issue, in particular with respect to the fatigue life of such components. Hence, in order to improve the fatigue strength, surface finishing processes are developed and used. The aim of this work is to study the fatigue strength of the Ti-6Al-4V titanium alloy produced by L-PBF with different surface states generated by chemical etching. A large experimental campaign was conducted, in two phases, using several different specimen geometries and multiple surface states. The fatigue crack initiation mechanisms were identified as well as their evolution as a function of the etching process. Large scatter in material strength is observed and discussed. A deterministic model based on the Kitagawa-Takahashi diagram and an El-Haddad and Topper model, extended to the finite life domain is proposed. This model makes it possible to describe the link between the critical porosity size, the allowable stress and the fatigue life. An innovative methodology is developed to identify the model parameters without needing to integrate a crack propagation law. The ability to identify the critical porosity within a population of surface irregularities is also studied. Several metrics based on the geometrical characteristics of the surface valleys and porosities from the population are evaluated. None of these metrics are able to accurately identify the critical porosity due to the large material scatter observed. Preliminary steps in the development of a probabilistic model taking into account the material variability are proposed.