Projection de Ti-6Al-4V par cold spray pour un objectif de fabrication additive : contraintes résiduelles, microstructures et propriétés mécaniques

Cold Spray Deposition of Ti-6al-4v for Additive Manufacturing

• Auteur / Autrice : Samuel Lett
• Direction : Patrick Villechaise, Erick Meillot, Samuel Hémery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 27/10/2022
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prototypage rapide

Propriétés mécaniques

Titane -- Alliages

Porosité

Microstructure (physique)

Grenaillage de précontrainte

Contraintes résiduelles

Mots clés libres

Ti-6Al-4V

Cold spray

Résumé

En tant que nouveau membre de la famille de la Fabrication Additive (FA), le procédé cold spray présente de nombreux avantages tels que l’oxydation limitée des matériaux, grâce à leur projection à l’état solide. Les alliages de titane, étant des matériaux sensibles à l’oxydation, pourraient profiter d’une telle particularité. Cependant, la grande résistance de ces alliages induit un taux de pores élevé dans les dépôts.Deux chemins ont été suivis pour densifier le matériau : les paramètres d’influence ont été recherchés et optimisés ; le grenaillage in situ a été examiné et a conduit à une densification quasi totale du matériau.Dans cette étude, les propriétés mécaniques et la microstructure de dépôts en Ti-6Al-4V ont été analysées afin de connaître le potentiel de la fabrication additive par cold spray (CSAM). Des analyses microstructurales ont été effectuées pour comprendre les propriétés mécaniques observées, avant d’être ensuite comparées à des échantillons issus de procédés conventionnels ou de fabrication additive. L’étude des traitements thermiques s’est révélée nécessaire pour générer des propriétés mécaniques compatibles avec des applications de structure.Habituellement, les contraintes résiduelles issues du cold spray sont en compression. Elles sont dues à l’effet de grenaillage des particules à l’impact. Cependant, pour le Ti-6Al-4V, on observe des contraintes en tension pouvant être délétères à l’intégrité structurelle. Ainsi, une meilleure compréhension de ce phénomène pourrait permettre une plus grande maîtrise des contraintes, ce qui est crucial si l’on veut pouvoir considérer le cold spray comme un procédé viable de la famille de la FA. L’In situ Coating Properties (ICP) a permis d’évaluer les paramètres de projection influant la présence de contraintes dans les échantillons.Grâce à leur maîtrise, une première pièce a été créée – après une étude de l’effet des paramètres robot sur la morphologie des dépôts – afin de montrer la faisabilité de pièces en Ti-6Al-4V par CSAM.Le but de cette étude a été de proposer des stratégies permettant la réduction du taux de pores, la réhabilitation des propriétés mécaniques et une maîtrise des contraintes résiduelles dans l’objectif de créer des pièces denses conjuguant intégrité structurelle et fiabilité mécanique.

As a new member of the additive manufacturing family, cold spray provides various benefits such as a limited oxidation during deposition. Titanium alloys, being oxidation-sensitive materials, could thus benefit from such a processing route. However, the high strength of these alloys implies that dense deposition is complex to achieve. Two pathways were explored to reduce porosity. The sensitivity to the different deposition parameters was first investigated. Further improvements were then obtained using in situ shot peening.In this study, Ti-6Al-4V cold sprayed deposits are examined regarding mechanical and microstructural properties to investigate their potential as materials for Cold Spray Additive Manufacturing (CSAM). Microstructural analyses were made to understand its behavior during mechanical tests, which were clarified by comparison with forged and fusion-based manufacturing samples. Heat treatments were evaluated to restore attractive mechanical properties for structural applications.Usually, cold spray induces compressive residual stresses in the resulting deposits because of the shot peening effect of the solid-state particles. However, the prevailing stresses are in tension in cold sprayedTi-6Al-4V, which could be detrimental to structural integrity. So, an improved understanding of this feature would provide insights into a reduction of residual stress, which is crucial to consider cold spray as a viable additive manufacturing process. The In situ Coating Properties (ICP) device allowed to measure the evolution of the residual stresses during and after deposition and to identify most influent operating parameters. The influence of robot trajectory on deposits morphology was engaged and – thanks to this control of residual stresses – a first 3D object was created in order to show the feasibility of additive manufacturing by cold spray with Ti-6Al-4V.The purpose of this study is to provide guidelines, reduce porosity, restore attractive mechanical properties,and control residual stresses to produce dense and thick Ti-6Al-4V pieces with good structural integrity and mechanical reliability.