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Application de l’approche de mécanique de la rupture pour la tolérance aux dommages et la prédiction de la vie en fatigue de composants obtenus par fusion sélective au laser

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Poulin-Masson, Jean-René (2020). Application de l’approche de mécanique de la rupture pour la tolérance aux dommages et la prédiction de la vie en fatigue de composants obtenus par fusion sélective au laser. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les procédés de fabrication additive de matériaux métalliques suscitent de plus en plus d’intérêt dans différents secteurs industriels pour la fabrication de composants à forte valeur ajoutée. Parmi ces procédés, la fusion sélective au laser (LPBF pour laser powder bed fusion) permet de mettre en forme des alliages dont les propriétés mécaniques statiques sont similaires à celles de leurs contreparties corroyées. Toutefois, les défauts de fabrication leur confèrent un comportement moins enviable pour les applications en fatigue. En ce sens, pour élargir le champ d’application aux composants soumis à des chargements cycliques, il est nécessaire de développer une meilleure compréhension de l’impact de ces défauts sur le comportement en fatigue.

Cette thèse présente, en trois articles scientifiques, une proposition de démarche visant à établir une zone de conception sécuritaire pour des composants obtenus par LPBF, et ce, en considérant les défauts qui résultent de leur mise en forme. La démarche en question fait appel à la mécanique de la rupture et au modèle d’El-Haddad pour mettre en relation la taille de défaut tolérable à diverses amplitudes de contraintes.

Dans un premier temps, le comportement en fatigue de l’alliage d’Inconel 625 obtenu par fabrication additive est évalué selon l’approche de la mécanique de la rupture. L’effet de l’anisotropie résultant de la mise en forme est considéré et une comparaison avec un alliage corroyé de même composition est réalisée. La résistance à la propagation de fissure longue a été montrée dépendante de l’orientation de fabrication et de l’orientation de propagation de la fissure relativement à l’axe de fabrication. Toutefois, en excluant les mécanismes de fermeture de fissure, celle-ci s’est montrée comparable à celle de l’alliage corroyé de même composition (Inconel 625).

Par la suite, une méthode de création de défauts a été développée. Pour ce faire, des paramètres d’exposition laser non optimaux ont été développés. Dans le second article, des échantillons sont fabriqués en modifiant la vitesse du laser, ce qui a permis de générer différents taux de porosité (0.1 à 2.7%) et d’en évaluer l’impact sur le comportement quasi statique et en fatigue de l’Inconel 625. Les résultats obtenus mettent en évidence l’impact limité des défauts de fabrication sur les propriétés élastiques du matériau, mais une grande sensibilité de la ductilité de la présence de ces défauts. De plus, l’impact des défauts a été montré fortement dépendant de l’orientation de fabrication. En propagation de fissure, la présence de défaut s’est avérée particulièrement importante lorsque le facteur d’intensité de contrainte est élevé, alors que l’impact sur le seuil de propagation de fissure est négligeable.

Dans un troisième temps, des échantillons de fatigue sont fabriqués avec des défauts induits dans la section de test en utilisant les paramètres laser déterminés au chapitre précédent lors de l’exposition des couches correspondantes. Un total de 4 ensembles d’échantillons sont étudiés, lesquels ont des taux de porosités compris entre ~0.1 et ~2.7%. La caractérisation des défauts sur un nombre restreint d’éprouvettes est réalisée et à partir de la taille mesurée, une prédiction de la limite de fatigue en vie infinie est effectuée en utilisant le modèle de El-Haddad. Pour valider la prédiction du modèle, des essais de fatigue sous force contrôlée sont réalisés et la limite de fatigue résultante est comparée à la prédiction du modèle d’El-Haddad. Les résultats expérimentaux montrent que le modèle est légèrement conservateur. L’erreur maximale entre la résistance en fatigue prédite par El-Haddad et celle estimée au moyen d’essais sous force contrôlée est d’environ 7%, ce qui est jugé acceptable.

Afin d’aller plus loin dans cette démarche et de manière préalable à l’application a une pièce, il est suggéré de réaliser des essais analogues sur des échantillons de tailles variables et de valider la possibilité de prédire la taille des défauts en utilisant les statistiques de l’extrême. Pour ce qui est des applications en vie finie, les résultats expérimentaux suggèrent qu’il est important de considérer la phase d’initiation de fissure, ainsi que celle de propagation afin d’avoir une prédiction adéquate puisqu’en présence de défauts, la phase de propagation s’étend sur un plus grand nombre de cycles.

Titre traduit

Application of the fracture mechanics approach for damage tolerance design and fatigue life prediction of laser powder bed fusion processed alloys

Résumé traduit

In the past years, metal additive manufacturing processes are gaining significant interest for many industrial applications due to the capacity to build complex components in a near net shape. Among these processes, laser powder bed fusion (LPBF) is particularly promising due to the capacity to manufacture a wide range of alloys with mechanical properties on par with their wrought counterparts. However, the fatigue properties are less appealing due to the presence of a significant amount of processing-induced defects. In this regard, in order to broaden the range of usage of LPBF built components in applications subjected to cyclical loading, there is a need to develop a better understanding and mitigate the impact of process specific defects on their fatigue behavior. In this thesis, three scientific papers are presented. They constitute a procedure that allows relating the cyclic loading to be applied on LPBF built alloys while avoiding fatigue failure with respect to their process-induced defects.

To this end, in the first scientific paper, the fracture mechanics approach is employed to characterize the fatigue behavior of Inconel 625 alloy processed by LPBF. Additional wrought specimens of the same alloy are also tested. In addition, this paper investigates the effect of microstructural anisotropy resulting from the process. The fatigue crack propagation resistance is shown to be build-orientation dependant but similar to the wrought alloys in the worst case.

In the second paper, non-optimal laser exposure parameter sets are developed to manufacture Inconel 625 coupons with various levels of typical processing-induced defects. To this end, the laser scanning speed is modified and porosity typical of low-energy processing, known as lack-of-fusion defects, are generated (0.1 to 2.7%). The impact of such levels of porosity on the quasi-static mechanical behavior and on the fatigue crack propagation behavior is studied. The experimental results enlighten the limited impact of such porosity on the elastic properties, while the ductility of the material was strongly impacted by their presence. In addition, the reduction in ductility is found to be strongly build-orientation dependant. When it comes to the fatigue crack propagation behavior, the impact of defects is very limited in the near-threshold region. However, as the stress intensity factor range increases, the interaction of the porosity with the propagating crack becomes significant and strongly build-orientation dependant; the crack is retarded when propagating in the direction perpendicular to the build plane and accelerated when propagating in the parallel plane.

In the third paper, specimens are manufactured for conducting stress-controlled fatigue tests with porosity induced in their gauge section using the aforementioned laser exposure parameter sets (4 porosity levels ranging from 0.1 to 2.7%). Defects were characterized via computed tomography on a restricted number of specimens (3 per porosity level) to measure the pore size distribution using Murakami’s parameter. The larges defects found for each porosity level were employed to predict the fatigue strength using El-Haddad’s formulation of the Kitagawa Takahashi diagram. Stress-controlled fatigue testing was conducted on the specimens to evaluate their fatigue strength and experimental results were found in good agreement with the model’s predicted fatigue strength, with a maximal error of 7%. Moving forward, we propose to apply this method to specimens with different gauge sections using the statistics of extreme to predict the defect size for various volumes of material.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par article présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 184-206).
Mots-clés libres: fabrication additive, fatigue, mécanique de la rupture, propagation de fissure, superalliage, tomographie à rayons X, porosité, défauts de fabrication
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Codirecteur:
Codirecteur
Terriault, Patrick
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 30 juin 2020 14:25
Dernière modification: 30 juin 2020 14:25
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2493

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