Influence de l’état de surface sur les propriétés en fatigue des structures obtenues par fabrication additive arc-fil : état brut, martelé et parachevé jet d’eau

Influence of surface integrity on the fatigue performance of arc-wire additive manufactured structures : as-built, hammer-peened, and water jet finished

• Auteur / Autrice : Mathilde Renault
• Direction : Cédric Doudard, Sylvain Calloch, Bruno Levieil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 04/07/2025
• Etablissement(s) : Palaiseau, École nationale supérieure de techniques avancées
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme (Lorient ; Brest ; Plouzané ; 2016-....) - Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL
• Jury : Président / Présidente : Delphine Retraint
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Szmytka, Julien Beaudet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Pessard, Bertrand Wattrisse
• DOI : 10.70675/fcd2b36bz1bcaz4eb2zaeb9zb5ee8e177957

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fabrication additive

Parachèvement jet d'eau

Martelage

Etats de surface

Contraintes résiduelles

Fatigue à grand nombre de cycle

Additive manufacturing

Surface integrity

Water jet finishing

Hammer peening

Residual stresses

High-cycle fatigue

Résumé

La fabrication additive (FA), et plus particulièrement le procédé WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), ouvre de nouvelles perspectives pour la production de grandes pièces métalliques complexes, en combinant des taux de dépôt élevés à une grande liberté de conception. S'inscrivant dans ce contexte, cette thèse explore l'application du procédé WAAM à la fabrication de pales de propulseurs marins creuses en cupro-aluminium. Les performances en fatigue des pièces produites restent limitées, notamment en raison de l'état de surface caractéristique du procédé. Ce verrou technologique constitue le coeur de ce travail, qui vise à développer des traitements de parachèvement (martelage et traitement par jet d'eau adaptés à des géométries complexes, y compris aux cavités internes, et à intégrer leurs effets dans une méthodologie de dimensionnement en fatigue spécifiquement adaptée. La première étape consiste à caractériser l'impact de ces traitements sur la microstructure de surface, la topographie et les états de contraintes résiduelles. Ensuite, une campagne d'essais de fatigue est menée sur des échantillons présentant des surfaces brutes et parachevées, avec un suivi par thermographie infrarouge permettant de détecter l'amorçage des fissures et de suivre leur propagation. Enfin, un modèle prédictif de durée de vie est élaboré et calibré sur la base des cinétiques observées par infrarouge, puis enrichi grâce aux résultats de caractérisation pour permettre des prévisions de durée de vie des pièces parachevées.

Additive Manufacturing (AM), and in particular the Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) process, offers new opportunities for producing large, complex metallic components by combining high deposition rates with design flexibility. Within this framework, the present study focuses on the application of WAAM for the fabrication of hollow marine propeller blades made from copper-aluminium alloys. Despite the advantages of the process, the fatigue performance of WAAM-produced parts remains limited, primarily due to the surface integrity inherent to the as-built condition. This limitation is the central focus of the research, which aims to develop suitable post-processing treatments-namely hammer peening and water jet finishing-adapted to complex geometries, including internal cavities. The ultimate goal is to incorporate the effects of these treatments into a fatigue design methodology tailored to WAAM components. The study begins by characterizing the effects of the post-processing treatments on surface microstructure, topography, and residual stress distributions. This is followed by a high-cycle fatigue test campaign on specimens in as-built and postprocessed states, with infrared thermography employed to monitor crack initiation and propagation. Finally, a predictive fatigue life model is developed and calibrated based on thermographic data, then enhanced using the characterization results to enable accurate fatigue life prediction of post-processed WAAM components.