Réparation de composants aéronautiques métalliques par le procédé de déposition à énergie dirigée (DED)

Aeronautical metallic components repair using direct energy deposition (DED) process

• Auteur / Autrice : Lorena Cano Salinas
• Direction : Redouane Zitoune, Anis Hor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 06/02/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Poulachon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kamel Moussaoui
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Habiba Bougherara, Abdelhadi Moufki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Prototypage rapide

Faisceaux de particules

Mots clés libres

Jet d'eau abrasif

Fabrication Additive

Réparation

Rechargement par dépôt laser

Intégrité de surface

Inconel 718

Abrasive Water Jet

Additive Manufacturing

Repair

Laser Metal Deposition

Surface integrity

Inconel 718

Résumé

L'alliage Inconel 718 (IN718) est un superalliage à base de nickel, durcissable par précipitation, largement utilisé dans les composants de moteurs aéronautiques - aubes et pales de turbine, aubages - qui sont soumis à des fortes sollicitations thermomécaniques en service. En effet, pour des raisons économiques, la réparation d’une structure est une solution moins coûteuse que la remplacer. Par conséquent, la haute valeur ajoutée de ces pièces rend très intéressante la réparation pour prolonger leur durée de vie. L'approche conventionnelle du processus de réparation comprend plusieurs étapes dont l’identification de la zone endommagée, la préparation de surface et le rechargement par ajout de matière. La préparation de surface comprend une étape d'enlèvement de matière de la zone endommagée en utilisant généralement des techniques conventionnelles tel que le fraisage. L’enlèvement de matière de l'IN718 par usinage conventionnel est bien connu pour présenter de grandes difficultés d’usinage en raison de la conservation de leurs propriétés qui restent élevées à haute température ; ce qui fait l’IN718 un matériau à faible usinabilité. Pour surmonter ce problème, le procédé de jet d'eau abrasif (AWJ) offre une alternative potentielle pour pallier la faible usinabilité de l'IN718. Traditionnellement l'ajout de matière se réalise par soudage traditionnel (procédé de soudage à l'arc). Cependant, ce type de procédé présente des inconvénients tels qu’un apport d’énergie important qui se traduit par une zone affectée thermiquement (ZAT) étendue, ce qui entraine des distorsions de la pièce réparée. De plus, l’apport de matière est difficilement contrôlable pour des défauts relativement petits. L’essor de la fabrication additive ces dernières années et notamment la technologie par projection de poudre a permis de s’affranchir de ces limites et d’automatiser le rechargement.Ce travail de thèse porte sur la réparation des composants aéronautiques en IN718 en couplant le procédé d’usinage par jet d’eau abrasif haute pression avec le procédé de fabrication additive par projection de poudre afin d’étudier l’influence de la préparation de surface sur la qualité de la réparation. Ce travail comporte deux volets principaux. Le premier volet porte sur l’effet paramètres du procédé d’usinage par jet d’eau abrasive (AWJ) haute pression (pression du jet, vitesse d’avance et le pas de balayage) sur la topographie de surface, la profondeur d'érosion, la contamination (l'incrustation des grains d’abrasifs), la microstructure et les propriétés mécaniques induites (contraintes résiduelles en surface, dureté). Le deuxième volet concerne l'ajout de matière par projection de poudre. Cette partie traite de l’influence de l’intégrité de surface du substrat sur la qualité de réparation. Dans ce cadre, une étude paramétrique des paramètres process (puissance laser, vitesse) de dépôt est menée. La qualité de réparation est caractérisée par une analyse microscopique et des tests de dureté multi-échelle.

Inconel alloy 718 (IN718) is a precipitation hardened nickel-based superalloy widely used in aero-engine components –turbine blades, vanes and blisks– that are subjected to severe thermo-mechanical loads in service. Hence, for economic reasons, repair of these high value-added parts is an important alternative to extend their lifetime instead of replacement. The conventional approach to the repair process involves several steps including identification of the damaged area, surface preparation and refurbishment by material addition. Surface preparation includes the material removal of the damaged zone by using conventional milling. Material removal of IN718 by conventional machining is well-known to be a challenging task due to the retention of its properties at elevated temperatures; making IN718 a material with low machinability. To overcome this problem, the abrasive water jet (AWJ) process offers a potential alternative to mitigate the poor machinability of IN718. Typically, the material addition is performed by traditional welding (arc welding process). However, this type of process presents several drawbacks such as high energy input which results in a huge heat-affected zone (HAZ) leading to distortion of the restored part. Moreover, the feedstock material is difficult to control for relatively small defects. In recent years, the development of additive manufacturing, namely gas atomized powder technology, made possible to overcome these limitations and automate the repair process.The present thesis work focuses on the repair of IN718 aeronautical components by coupling the high-pressure abrasive water jet machining process with additive manufacturing by gas atomized powder, to study the influence of the surface preparation on the repair quality. This work includes two main sections. The first section deals with the effect of AWJ process parameters (jet pressure, traverse speed and step-over distance) on surface topography, erosion depth, grit embedment, microstructure and induced mechanical properties (surface residual stresses, hardness). The second section concerns the material addition by laser metal deposition manufacturing. This section addresses the influence of the surface integrity of the substrate on the repair quality. In this context, a parametric study of the deposition process parameters (laser power, scan speed) is conducted. The quality of repair is characterized by microscopic analysis and multi-scale hardness tests.The major results obtained for the first section showed that the machined surfaces exhibit high roughness with embedded abrasive particles, different erosion depths and high compressive residual stresses depending on the AWJ process parameters. To remove the abrasive particles embedded in the workpiece surface, the Plain Water Jet (PWJ) post-treatment method, using abrasive-less water jet, has been proposed. It was demonstrated with this cleaning method, no significant changes in the initial surface topography or residual stresses levels while ensuring effective cleaning of the machined surfaces. For the repair section, the results show proper metallurgical bonding between the deposited material and the substrate, scarce porosity and slight distortion of the substrate which indicates a minor HAZ. The observed microstructure was columnar dendrites oriented in the deposition direction. Hardness results show higher values on the deposited material with a decrease across the interface towards the substrate where the bulk hardness value of the material is reached. Finally, in this study, it was shown that surface preparation has a weak effect on the quality of the restored area.