Sur l'utilisation de la tomodensitométrie aux rayons X pour étudier l'influence de l'intégrité de la surface sur les propriétés de fatigue du Ti64 fabriqué de manière additive

On the use of X-ray computed tomography to investigate the influence of surface integrity on the fatigue properties of additively manufactured Ti64

• Auteur / Autrice : Florian Steinhilber
• Direction : Jean-Yves Buffière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Stefano Beretta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Buffière, Stefano Beretta, Sabine Rolland du Roscoat, Fabien Szmytka, Rémy Dendievel, Guilhem Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabine Rolland du Roscoat, Fabien Szmytka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Matériaux -- Fatigue

Essais par ultrasons

Titane -- Alliages

Matériaux -- Fissuration

Mots clés libres

Matériaux

Caractérisation de surface

Tomographie par rayon X

Fatigue

Fabrication additive

Ta6v

Rugosité de surface

Courbure

Alpha-Case

Polissage électrolytique Plasma

Défaut de surface

Materials

Surface analysis

X-Ray tomography

Fatigue

Additive fabrication

Ti64

Surface roughness

Curvature

Alpha-Case

Plasma electrolytic Polishing

Surface defect

Résumé

Les défauts de fabrication sont connus pour avoir un impact significatif sur les propriétés de fatigue des composants élaborés par Fabrication Additive (FA). En particulier, l’importante rugosité de surface, typique des procédés de FA, génère des concentrations de contrainte locales qui favorisent l’amorçage de fissures, réduisant ainsi la résistance à la fatigue. Traditionnellement, la rugosité de surface et les défauts associés sont caractérisés à l’aide d’outils tels que les interféromètres à lumière blanche. Toutefois, ces instruments offrent une analyse qui n’est que partiellement tridimensionnelle car limitée à une unique perspective. Ces limitations ne permettent pas une caractérisation approfondie des surfaces de composants élaborés par FA, qui peuvent avoir des géométries 3D complexes et des défauts de surface cachés derrière un importante rugosité. Ce manuscrit décrit une méthodologie permettant d’effectuer une analyse de surface en 3D à partir d’une caractérisation par tomographie aux rayons X. La méthode est illustrée sur divers échantillons, allant de simples cylindres à des structures architecturées plus complexes. Elle s’avère efficace pour détecter les défauts de surface critiques, tels que les entailles cachées par des particules de poudre partiellement fondues. La méthodologie est ensuite appliquée pour étudier l’impact des défauts de surface sur la tenue fatigue du Ti64 élaboré par fusion laser sur lit de poudre. Cette analyse porte à la fois sur les surfaces brutes de fabrication ou après différents post-traitements, en étudiant en particulier l’impact d’un polissage électrolytique plasma et de la contamination par l’oxygène de la surface (présence d’une couche d’α-case) résultant d’un traitement thermique à haute température (860 °C). L’utilisation de la tomographie aux rayons X pour la caractérisation 3D des défauts a permis d’identifier ceux responsables de la rupture par fatigue, ces derniers étant principalement des vallées en surface. La capacité de la méthode à prédire le site d’amorçage des fissures est également évaluée, ainsi que son potentiel à estimer la résistance à la fatigue d’un spécimen avant essai.

Manufacturing defects are known to significantly impact the fatigue properties of additively manufactured (AM) components. Notably, the large surface roughness, typical of AM processes, leads to increased stress concentrations that promote crack initiation, thereby reducing fatigue resistance. Traditionally, surface roughness and related defects are evaluated using tools like white light interferometers. However, these instruments offer a limited, single-perspective and only partially three-dimensional analysis. Those limitations do not enable the thorough characterization of the complex surfaces and hidden defects typical in AM components. This study describes a methodology for performing a 3D surface analysis using X-ray Computed Tomography (XCT) data. The method is illustrated on various samples, ranging from simple cylinders to more intricate architected structures. It turns out to be very efficient at detecting critical surface defects, such as notches hidden by partially melted powder particles. The methodology is then applied to examine the effect of surface defects on the fatigue properties of Ti64 produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). This analysis includes both as-built surfaces and those subjected to post-treatments, specifically investigating the impact of Plasma electrolytic Polishing (PeP) and surface oxygen contamination (presence of an α-case layer) resulting from high-temperature heat treatment (860 °C). Using XCT for 3D characterization, defects responsible for fatigue failure are identified, the latter being predominantly surface valleys. The method’s ability to predict crack initiation locations is also evaluated, as well as its potential to estimate the fatigue resistance of a specimen before testing.