Evolution des dommages lors du traitement thermomécanique de plaques épaisses d'aluminium aérospatial

Damage evolution during thermo-mechanical processing of thick aerospace aluminum plates

• Auteur / Autrice : Anthony Albert Harrup Gutierrez
• Direction : Luc Salvo, Julie Villanova, Pierre Lhuissier, Lukas Helfen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 12/03/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Rolland du Roscoat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillermo Requena
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Limodin, Henry Proudhon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayons X -- Applications industrielles

Aluminium -- Alliages

Mots clés libres

Aluminium

Material science

X-Ray tomography

Thermo-Mechanical

In Situ X Ray Nano Tomography

X-Ray tomography

Résumé

Les alliages d'aluminium avancés utilisés dans l'industrie aérospatiale nécessitent des propriétés de haute performance telles que la ténacité à la fracture, la résistance à la fatigue et la résistance à la corrosion. L'AA2050 est un alliage d'aluminium largement utilisé pour les composants de structure interne aérospatiale en raison de ses hautes propriétés mécaniques combinées à sa faible densité. Durant le processus de fabrication, les alliages d'aluminium subissent diverses étapes thermomécaniques, telles que le laminage à chaud. En particulier, le laminage à chaud permet de fermer la porosité de ségrégation qui peut se former lors de la coulée. Explorer de nouvelles fenêtres de processus pour ce procédé peut conduire à des conditions extrêmes où le comportement des pores n'est pas bien connu. L'objectif principal de ce travail est de comprendre comment les pores peuvent germer et croître sous des déformations à chaud en traction représentatives de ces conditions de laminage à chaud extrêmes.Dans ce travail, nous avons étudié la germination et la croissance des pores sous différentes conditions thermomécaniques dans l'AA2050 pour imiter les dommages lors du laminage à chaud de plaques épaisses. La partie centrale de cette étude a consisté à utiliser la tomographie aux rayons X multi-échelles réalisée au European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). La méthodologie consistait à effectuer une nano-tomographie synchrotron aux rayons X in situ lors de tests de traction micrométriques à haute température et une micro-tomographie synchrotron aux rayons X ex situ de Tests de Traction Secondaires. Des analyses SEM et EBSD ont également été effectuées sur des échantillons de traction micrométriques post-mortem.Avec la nano-tomographie aux rayons X, nous avons observé la germination et l'évolution des pores à trois températures différentes (400°C, 440°C et 480°C). Les pores ont été segmentés et mesurés en termes de volume et de morphologie, ainsi que les intermétalliques et les précipités les entourant. Avec cela, une classification des pores en fonction de leur lieu de germination est proposée.En utilisant des algorithmes de Corrélation de Volume Numérique (DVC), nous avons suivi l'évolution de centaines de pores individuels pour déterminer leur croissance en lien avec la déformation locale à l'intérieur des échantillons. En couplant l'évolution des pores et les données de contrainte locale avec des simulations de Méthode des Éléments Finis de tests de traction à haute température, nous avons déterminé le champ de contrainte local et comparé nos résultats expérimentaux avec cinq modèles existants d'évolution des vides. Les prédictions des modèles sont discutées.Pour relier le comportement du matériau et l'évolution de la porosité à une échelle plus grande, nous avons mené des Tests de Traction Secondaires ex situ. En utilisant le logiciel DVC PT4D, nous avons extrait le champ de déformation des images 3D obtenues, corroborant le comportement du matériau à différentes températures. Cette étude améliore non seulement notre compréhension du comportement de l'AA2050 dans des conditions extrêmes, mais fournit également des informations précieuses sur la formation de défauts dans les processus thermomécaniques avancés.

Advanced aluminium alloys used in the aerospace industry require high performance properties such as fracture toughness, fatigue resistance, and corrosion resistance. AA2050 is an aluminium alloy widely used for aerospace internal structure components because of its high mechanical properties combined with its low density. During the manufacturing process of aluminium alloys undergo various thermomechanical steps, such as hot rolling. In particular, hot-rolling enables to close the segregation porosity that may form during casting. Exploring new process windows for this process may lead to extreme conditions where pore behaviour is not well known. The main objective of this work is to understand how pores may nucleate and grow under hot tensile deformations representative of these extreme hot rolling conditions.In this work, we studied pore nucleation and growth under different thermo-mechanical conditions in AA2050 to mimic damage during hot rolling of thick plates. The central part of this study involved multi-scale X-ray tomography performed at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). The methodology consisted in performing in situ synchrotron X-ray nano-tomography during high-temperature micrometric tensile tests and ex situ synchrotron X-ray micro-tomography of Secondary Tensile Tests. SEM and EBSD analysis were also performed on post-mortem micrometric tensile specimens.With X-ray nano-tomography, we observed the nucleation and evolution of pores at three different temperatures (400°C, 440°C, and 480°C). The pores were segmented and measured in terms of volume and morphology, along with the intermetallics and precipitates surrounding them. With this, a classification of the pores depending on their nucleation location is proposed.Using Digital Volume Correlation (DVC) algorithms, we tracked the evolution of hundreds of individual pores, learning about their growth behaviour and measuring local strain within the specimens. By coupling pore evolution and local strain data with Finite Element Method simulations of high-temperature tensile tests, we determined the local stress field and compared our experimental results with five existing void evolution models. Model predictions are discussed.To link material behaviour and porosity evolution on a larger scale, we conducted ex situ Secondary Tensile Tests. Using the DVC software PT4D, we extracted the strain field from the obtained 3D images, corroborating the material's behaviour at different temperatures. This study not only enhances our understanding of AA2050's behaviour under extreme conditions but also provides valuable insights into defect formation in advanced thermo-mechanical processes.