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.
| Date | 27 avr. 2023 |
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| langue originale | Français |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Vladimir Brailovski (Directeur(-trice)) |
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