De nombreux progrès technologiques de ces dernières années sont rendus possibles par des choix de matériaux innovants, tels que le développement des alliages de titane, et de leurs procédés de mise en œuvre. L’alliage Ti-6Al-4V représente plus de la moitié des ventes mondiales d’alliages de titane. Au cours de ces travaux de thèse nous avons étudié le comportement mécanique de cet alliage obtenu par fabrication additive selon la méthode de fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Ce procédé induit une microstructure martensitique hors équilibre qui doit être caractérisée de manière approfondie afin de comprendre son comportement sous chargement mécanique et de pouvoir l’utiliser dans le cadre d’applications critiques. Dans cet objectif, les essais de micro-emboutissage (Small Punch Tests) nous ont paru pertinents et adaptés grâce à la simplicité des échantillons utilisés (disque de 10 mm de diamètre et 0,5 mm d’épaisseur) et la possibilité d’un prélèvement local, selon différentes orientations et au sein de différentes épaisseurs de pièces. Nous avons donc utilisé ces essais suivant deux modes de sollicitation : en vitesse imposée (SPT) et à force constante (SPCT). Les deux méthodes ont été validées par comparaison à des essais uniaxiaux, respectivement de traction et de fluage. Malgré une dispersion relativement élevée, nous avons pu mettre en évidence un bon accord entre ces techniques. Par ailleurs, les essais SPT ont permis de comparer le comportement de la microstructure forgée et martensitique brute de fabrication, en termes de résistance mécanique et de sensibilité à la vitesse de déformation. Des différences de comportement ont été mise en évidence et reliées aux caractéristiques microstructurales. A contrario, les essais de fluage uniaxiaux et SPCT réalisés à faible charge conduisent à la détermination d’exposant de Norton similaires quelle que soit la microstructure étudiée (matière forgée, brute de fabrication ou après traitement thermique de détentionnement). Le comportement en fluage s’avère plus dépendant de la microstructure pour de plus fortes charges (σ > 500 MPa). Des simulations selon un modèle par éléments finis des essais SPT/SPCT et des essais de compression ont été mises en place afin d’interpréter ces résultats, en mettant en évidence des états mécaniques fortement hétérogènes dans le temps et l’espace. Les analyses menées sur les vues en coupes d’essais SPCT et de compression interrompus ont mis en évidence une évolution de microstructure, en lien avec les champs mécaniques locaux. Nous avons ainsi montré que la décomposition de la martensite peut avoir lieu pour des températures aussi faibles que 350°C dans les zones les plus déformées. Un mécanisme de fragmentation des lattes de martensite et de rotation des grains est associé à cette transformation pour les essais SPCT, ce mécanisme est discuté en regard du comportement mécanique. |
Many technological advances in recent years have been made possible by innovative material choices, such as the development of titanium alloys and their processing methods. The Ti-6Al-4V alloy accounts for more than half of global titanium alloy sales. In this work, we studied the mechanical behaviour of this alloy produced by additive manufacturing using the laser powder bed fusion (LPBF) method. This process induces an out-of-equilibrium martensitic microstructure that requires thorough characterization to understand its behaviour under mechanical loading and to be able to use it in critical applications. To this end, Small Punch Tests (SPT) seemed relevant and suitable due to the used samples size (discs of 10 mm in diameter and 0.5 mm in thickness) and the possibility of local sampling in different orientations and within various thicknesses of parts. We therefore used these tests through two loading modes: displacement rate-controlled mode (SPT) and constant load-controlled mode (SPCT). Both methods were validated by comparison with uniaxial tests, respectively tensile and creep tests. Despite relatively high scatter, we were able to demonstrate a good correlation between these techniques. Furthermore, the SPT allowed us to compare the behaviour of the wrought microstructure and the as-built martensitic microstructure in terms of mechanical strength and strain rate sensitivity. Differences in behaviour were identified and linked to microstructural characteristics. Conversely, uniaxial creep and SPCT performed at low stress led to similar Norton exponents regardless of the microstructure (forged, as-built, or after stress-relief heat treatment). Creep behaviour appears to be more dependent on the microstructure at higher stresses (σ > 500 MPa). Finite element models of SPT/SPCT and compression tests were set up to understand these results, highlighting highly heterogeneous mechanical states over time and space. Analyses conducted on cross-sectional views of interrupted SPCT and compression tests revealed a microstructural evolution, related to local mechanical fields. We showed that martensite decomposition can occur at temperatures as low as 350°C in the most deformed areas. A mechanism involving martensite lath fragmentation and grain rotation explains the microstructural evolution within SPCT samples. This mechanism is discussed regarding the mechanical behaviour. |