Résistance en fatigue de pièces en alliage Ti-6Al-4V produites par fusion laser sur lit de poudre avec de la porosité induite : relation procédé-défauts-propriétés

Moquin, Etienne (2023). Résistance en fatigue de pièces en alliage Ti-6Al-4V produites par fusion laser sur lit de poudre avec de la porosité induite : relation procédé-défauts-propriétés. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’industrie de la fabrication additive métallique et plus spécifiquement de la fusion laser sur lit de poudre (laser powder bed fusion ou LPBF en anglais) est en constante expansion depuis plusieurs dizaines d’années. Cette expansion est due aux nombreux avantages qu’offre cette méthode de fabrication par rapport aux méthodes conventionnelles. Toutefois, ce procédé de mise en forme, par sa complexité, engendre des défauts affectant les propriétés mécaniques des composants fabriqués et restreint son utilisation dans l’industrie. Parmi ces défauts, la porosité est particulière puisqu’elle ne peut pas être supprimée complètement et que sa détection est ardue et couteuse. Sachant qu’un niveau résiduel de porosité est donc inévitable et que celui-ci affecte les propriétés mécaniques des pièces, il devient crucial d’être en mesure de détecter et de caractériser les pores afin de déterminer si leur présence est critique dans une application particulière.

Pour y arriver, le mémoire est divisé de la manière suivante :

Le premier chapitre fournit une revue de littérature de l’état de l’industrie de la fabrication additive, du procédé de LPBF, des caractéristiques du Ti-6Al-4V (Ti64) mis en forme par LPBF, de la conception tolérante aux dommages et de l’endommagement par fatigue de matériaux mis en forme par LPBF.

Le second chapitre prend la forme d’un article scientifique et traite de la méthodologie ayant permis de fabriquer par LPBF trois groupes d’échantillons (HED, OED et LED) en Ti64 contenant des pores intentionnellement induits lors de la mise en forme par la sélection de paramètres de fabrication distincts. Ces échantillons sont ensuite soumis à des analyses de composition chimique, de la microstructure et de la porosité, ainsi qu’aux essais de traction, de fatigue et de propagation de fissure. Les analyses montrent que les trois groupes d’échantillons présentent des caractéristiques semblables à l’exception de la porosité. L’analyse de la composition chimique révèle que la distribution des éléments d’alliage dans tous les groupes correspond aux plages acceptables pour un alliage de Ti64 mis en forme par LPBF. La microstructure de tous les groupes est composée de grains colonnaires β transformés larges de 120 μm et d’une longueur de l’ordre de 500 μm. Après traitements thermiques, les grains colonnaires sont composés majoritairement de lamelles α épaisses de 2 μm, de 10 % de α globulaire, large de 10 μm, et de 4 % de phase β en forme d’inclusions uniformément distribuées. Le groupe OED présente le niveau de porosité le plus bas (0,003 %) composé majoritairement de pores de faibles et moyennes dimensions (√□ 0,075 mm) relativement sphériques (rapport de forme ≈ 0.65). Le niveau de porosité dans les groupes HED et LED est dix fois plus élevé (respectivement 0,033 % et 0,044 %), mais les pores du groupe HED sont relativement semblables à ceux du groupe OED (√□ 0,075 mm et rapport de forme ≈ 0,75), tandis que les pores du groupe LED sont plus larges et plus allongés (√□ 0,085 mm et rapport de forme ≈ 0,55). En ce qui concerne les propriétés mécaniques, la résistance en traction (Sy = 890 MPa ; Su = 990 MPa), le seuil de propagation de fissure longue (ΔKth = 3,9 MPa m½) et le comportement de propagation des fissures longues sont peu influencés par les variations des caractéristiques de la porosité. Toutefois, l’élongation à la rupture (εOED = 14,93 % ; εHED = 13,64 % ; εLED = 11,30 %) et la résistance en fatigue à N = 107 cycles (Δσf, OED = 495 MPa ; Δσf, HED = 450 MPa ; Δσf, LED = 360 MPa) sont fortement influencées par la présence de défauts. Plus spécifiquement, la criticité des pores a été attribuée à leur taille et leur proximité à la surface. Le diagramme de Kitagawa-Takahashi, construit à partir des résultats de cette étude, s’est avéré un outil adéquat, mais conservateur, pour la conception tolérante aux dommages d’échantillons en Ti64 mis en forme par LPBF.

Le troisième chapitre présente une étude de résistance en fatigue réalisée sur des pièces complexes en Ti64 fabriquées par LPBF avec les paramètres HED et OED. Dans ce chapitre, la fabrication des pièces, le banc d’essai, le modèle par éléments finis utilisé pour prédire les contraintes et déformations dans la pièce et le déroulement des essais de fatigue sont abordés. Les essais en fatigue révèlent que la résistance en fatigue des pièces complexes est un dixième de celles des échantillons normalisés pour un niveau de contrainte identique. La résistance en fatigue inférieure a été attribuée à l’effet du fini de surface tel que fabriqué et aux mécanismes d’endommagement secondaires.

Finalement, les éléments principaux du mémoire sont résumés dans une conclusion et des recommandations pour des études subséquentes sont formulées.

Titre traduit

Fatigue resistance of laser powder bed fused Ti-6Al-4V alloys with purposely-induced porosity: process-structure-property relationship

Résumé traduit

Application of additive manufacturing processes and more precisely of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is growing since a few decades. This growth is due to the many benefits offered by this process compared to the conventional manufacturing methods. However, LPBF, by its nature, causes the appearance of specific processing-induced flaws that affect the mechanical properties of parts produced, thus limiting their industrial use Among these defects, porosity is particular since it cannot be completely eliminated and its detection is difficult and costly. Knowing that a residual level of porosity is unavoidable and that it affects the mechanical properties of the parts, it becomes crucial to be able to detect and characterize pores in order to determine if their presence is critical in a particular application.

In order to give a full picture of this problematic and provide an answer useful for the scientific and engineering community, this master thesis will be divided as such:

The first chapter presents a literature review of the additive manufacturing market, LPBF process, characteristics of Ti-6Al-4V (Ti64) parts produced by LPBF, damage tolerant design and fatigue and crack propagation mechanisms in parts produced by LPBF.

The second chapter takes the shape of a scientific article and describes the methodology that was used to manufacture, using LPBF, three groups of Ti64 specimens with purposely- induced porosity. The specimens were then subjected to analyses of their chemical composition, microstructure and porosity and also to tensile, fatigue and crack propagation testing. The study showed that the three groups of specimens manifested similar characteristics with the exception of porosity. Chemical composition analysis reveals that elements distribution are within acceptable ranges for an LPBF-formed Ti64 alloy. The microstructure of all groups is composed of prior β-columnar grains 120 μm wide and about 500 μm high. After heat treatments, the columnar grains are composed mostly of 2 μm thick α lamellae, 10% globular α, 10 μm wide, and 4% inclusions of β phase. The OED group has the lowest porosity level (0,003 %) composed mostly of small to medium seized pores (√□ 0,075 mm) relatively spherical (aspect ratio ≈ 0.65). The level of porosity in the HED and LED groups is ten times higher (0.033% and 0.044%, respectively), but while pores in the HED group are relatively similar to those in the OED group (√□ 0,075 mm and aspect ratio ≈ 0,75), pores in the LED group are larger and more elongated (√□ 0,085 mm and aspect ratio ≈ 0,55). With respect to mechanical properties, tensile strength (Sy = 890 MPa ; Su = 990 MPa), long crack propagation threshold (ΔKth = 3,9 MPa m½) and long crack propagation behavior are minimally influenced by variations in the porosity characteristics. However, elongation at break (εOED = 14,93 % ; εHED = 13,64 % ; εLED = 11,30 %) and fatigue strength at N = 107 cycles (Δσf, OED = 495 MPa ; Δσf, HED = 450 MPa ; Δσf, LED = 360 MPa) are highly influenced by the presence of defects. More specifically, the criticality of the pores was attributed to their size and proximity to the surface. The Kitagawa-Takahashi diagram, constructed from the results of this study, appeared to be an adequate, but conservative, tool for damage-tolerant design of LPBF-formed Ti64 samples.

The third chapter presents a study of the fatigue resistance of complex Ti64 parts produced by LPBF. In this chapter, the part manufacturing process, the test bench, the finite elements model used to predict stresses and strains in the parts, the testing protocols and the results obtained are described and discussed. Fatigue testing reveals that the fatigue strength of the complex parts is one-tenth of that of the standard specimens for the same stress level. The lower fatigue strength was attributed to the effect of the as-fabricated surface finish and secondary damage mechanisms.

Finally, in the conclusion, the main elements of the master thesis are summarized and the recommendations for further study are made.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 119-130).
Mots-clés libres:	fabrication additive, fusion laser sur lit de poudre, Ti-6Al-4V, porosité induite, fatigue, conception tolérante aux défauts
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Brailovski, Vladimir
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	16 juin 2023 18:48
Dernière modification:	16 juin 2023 18:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3234

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