Mechanical properties of additively manufactured or repaired single-track thickness structures by Directed Energy Deposition.
Propriétés mécaniques de pièces élancées fabriquées ou réparées par Directed Energy Deposition.
Résumé
This thesis was dedicated to the study of 316L stainless steel additively manufactured or repaired specimens by Directed Energy Deposition (DED). Different configurations were manufactured under optimal process parameters. The novelty of this work is the observation of the microstructural strain localization. This experiment combined an in situ tensile test inside a scanning electron microscope with high resolution digital image correlation and an electron backscatter diffraction map. These results allowed for a fresh interpretation of monotonic tensile tests as well as of self-heating experiments under cyclic loading and the failure patterns observed at the surface of specimens. The first objective was to understand the deformation mechanisms at the grain scale which could explain the observed macroscopic anisotropy of the tensile properties as reported in literature. Two loading directions, along and perpendicular, were considered with respect to the printing direction for fully printed specimens. We observed that for a tensile load perpendicular to the printing direction, the strain localization is mainly situated at some interlayers. For a tensile load along the printing direction, the strain localization was observed in some particular regions of large grains. The second objective was the assessment of DED as a repair technology. Dog bone shaped repaired specimens (half hot rolled sheet and half printed) were designed and they exhibited an important hierarchical microstructural gradient. We noticed that the interface is not a weak area during a monotonic tensile test. Moreover, while homogeneous strain was observed in the substrate half, the printed half showed a strain heterogeneity, with the highest localization found at some interlayers. An unstrained zone was observed at both sides of the interface and was associated with higher hardness. The last objective was to evaluate the fatigue properties by self-heating tests. The experiment has proven that the difficulties due to the small dimensions of the single-track thickness specimens can be overcome by careful construction of the experimental set-up. The results revealed a certain correlation between the pattern of the microstructure, the deformation pattern at this scale and the self-heating results. Anisotropy was highlighted during these cyclic tests where specimens tested perpendicularly to the printing direction showed higher fatigue limits in comparison to the ones tested along the printing direction. Post mortem analysis revealed a multitude of cracks at interlayers for the specimens tested perpendicularly to the printing direction creating several sites of heat diffusion. For the specimens tested along the printing direction, a more classical fatigue scenario was observed with one dominating crack and thus a localized heat dissipation.
Les travaux de cette thèse ont été dédiés à l’étude de pièces minces en acier inoxydable 316L fabriquées ou réparées par Directed Energy Deposition (DED). La nouveauté principale est l’observation de la déformation à l’échelle de la microstructure. Pour ce faire, une expérience associant un essai de traction in situ dans un microscope électronique à balayage, de la corrélation d’images à haute résolution et une carte EBSD de la microstructure ont été réalisés. Les résultats obtenus permettent alors de mieux appréhender les différentes propriétés en traction ainsi que les comportements d’autoéchauffement lors d’essais cycliques. Le premier objectif a été de qualifier et quantifier les mécanismes de déformation à l’échelle de la microstructure pour expliquer le comportent anisotrope révélé lors d’essais de traction. Par conséquent, deux orientations de sollicitation permettant d’effectuer un chargement perpendiculaire ou parallèle à la direction d’impression ont été définies. Dans le premier cas, la localisation de déformation s’effectue au niveau de certaines intercouches. Pour le second, une localisation dans certaines régions correspondant à de gros grains particuliers a été observée. Le deuxième objectif a été d’évaluer la capacité du DED à réparer. Pour ce faire, des éprouvettes moitié tôle / moitié imprimées ont été fabriquées afin de solliciter l’interface en traction. Une grande différence de microstructure a été observée entre les deux matériaux. Néanmoins, l’interface n’a jamais été la zone de rupture lors d’essais de traction. De plus, une déformation homogène a été observée dans la partie tôle alors qu’une déformation hétérogène avec des pics de concentration au niveau de certaines intercouches a été remarquée dans la partie imprimée lors d’essais in situ. Enfin, une zone de faible déformation a été constatée de part et d’autre de l’interface, zone dans laquelle une plus grande dureté a été mesurée. Le dernier objectif a été d’évaluer les propriétés en fatigue par des essais d’autoéchauffement. Il a été montré que les difficultés liées à la faible épaisseur de nos éprouvettes pouvaient être surmontées en maitrisant le protocole expérimental. Un comportement anisotrope a été observé durant ces essais cycliques avec des éprouvettes perpendiculaires au sens d’impression montrant une plus grande limite d’endurance par rapport aux éprouvettes sollicitées parallèlement. Pour ces dernières, des analyses post-mortem ont montré un scénario de fatigue classique avec une fissure dominante et donc une source de dissipation de chaleur localisée. A l’inverse, une multitude de fissures aux intercouches créant de nombreux sites de dissipation a été constatée pour les éprouvettes testées perpendiculairement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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