Les procédés de fabrication additive ont actuellement atteint une maturité suffisante pour produire des pièces en série dans plusieurs secteurs industriels. Au cours de cette étude, nous nous focalisons sur la fabrication par fusion laser sur lit de poudre d’alliages métalliques et en particulier l’alliage TA6V qui est l’alliage de titane le plus couramment utilisé. En effet, les cinétiques de refroidissement du matériau au cours de ce procédé induisent une microstructure martensitique particulière dont les propriétés sont encore mal connues, notamment en termes d’élasticité. De plus, les pièces en TA6V obtenues par fabrication additive souffrent de l’apparition d’importantes contraintes résiduelles pouvant provoquer leur distorsion voire leur fissuration. Actuellement, la solution employée pour pallier à l’apparition de contraintes résiduelles consiste en un traitement thermique de détensionnement qui permet de relaxer les contraintes, sans comprendre leur genèse.
La première partie de ce mémoire de thèse est consacrée à l’étude de la microstructure de pièces avant et après un traitement de détensionnement. Nous avons ainsi pu étudier la phase martensitique α’ qui précipite initialement dans le matériau ainsi que la transformation de phase de α’ à (α+β) apparaissant au cours du traitement thermique. Dans un second temps, nous avons étudié l’élasticité des différentes phases expérimentalement et par calculs atomistiques (DFT). L’étude expérimentale a été menée à l’échelle macroscopique par essais de traction et vibration acoustique et localement par diffraction de rayons X. L’ensemble des résultats indique que la phase martensitique α’ est moins rigide et plus anisotrope que la phase α (des variations de module d’Young de l’ordre de 15% sont obtenues). Dans la dernière partie de cette étude, l’effet de paramètres de la fabrication additive sur les contraintes résiduelles a été étudié. Les contraintes résiduelles ont été déterminées par différentes méthodes telles que la diffraction de rayons X, de neutrons ou la courbure de ponts. Nous avons ainsi montré que la conductivité thermique du support, le temps de repos et la forme de l’échantillon avaient un effet important sur les contraintes résiduelles tandis qu’aucun effet clair de la position sur le plateau, de la hauteur d’échantillon ou de la densité d’énergie n’a pu être mis en évidence.
Ces différents résultats apportent une meilleure connaissance des propriétés du matériau et permettent de mieux comprendre la genèse des contraintes résiduelles dans les pièces en TA6V élaborées par fusion laser sur lit de poudre ; offrant ainsi la possibilité d’améliorer la modélisation et l’optimisation des paramètres de ce procédé de fabrication additive en vue d’une meilleure utilisation industrielle. |
Titanium is a material of choice for the aeronautics industry due to its mechanical characteristics, corrosion resistance and low density. Ti-6Al-4V or Ti64, is the most widespread titanium alloy on Earth and represents 50% of the world's titanium tonnage. To satisfy applications requiring stronger materials, parts for aeronautics are generally manufactured by forging. This elaboration way involves a large number of machining steps and therefore significant losses in time and material. It is because of this that "near-net-shape" methods have been developed. Additive manufacturing consists in creating a three-dimensional object from a digital model. In our case, it consists in depositing a powder bed of about fifty microns that is melted very locally with an Nd:YAG laser, then a new layer of powder is deposited which will then be melted and so on until the object is formed, step by step. Additive manufacturing then makes it possible to shape parts in a single step when previously several parts had to be assembled. It also makes it possible to create interesting new designs that better meet needs but were previously difficult to achieve due to the size of the tooling. The high thermal gradients caused by the laser induce very high residual stresses in the material that can distort the part, which can cause it to lose its "near-net-shape" characteristic, or even cause cracks during the elaboration, forcing the manufacturing process to stop before the end. In addition, because of the high cooling rates involved a particular microstructure precipitate in the TA6V that had never before been encountered in such a high proportion in the material. In this study, residual stresses are characterized by X-ray diffraction. Indeed, the residual stresses modify the crystal's mesh parameter, which in turn modifies the diffraction angle of the diffracted lines. Since the diffraction pattern is dependent on the microstructure (crystallographic organization and chemical order) involved, it is important to determine the microstructure present in the samples formed by additive manufacturing. Few studies currently focus on the determination of residual stresses in TA6V formed by additive manufacturing, although this issue remains an obstacle in the design of parts. Residual stress problems are generally solved by heat treatments that release most of the stresses but also modify the particular microstructure generated by additive manufacturing, which could be interesting for some applications. In addition, heat treatments does not solve the problem of residual stresses that cause significant cracks or deformations during manufacture, forcing it to stop before the end. The objective of this thesis is to understand the genesis of residual stresses in additive manufacturing. |