Wire and Arc Additive Manufacturing : development and fatigue characterization of 316L steel and TA6V titanium alloy parts
Fabrication additive par procédé arc-fil : élaboration et caractérisation en fatigue de pièces en acier 316L et alliage de titane TA6V
Résumé
The wire-arc-additive-manufacturing (WAAM) process, derivated from arc welding process, is acclaimed in particular because it allows the production of massive parts. However, it tends to produced textured macrostructures of columnar grains, leading to an anisotropic mechanical behaviour. Few studies have been carried out to date on the impact of the process parameters on the microstructures formed, as well as their mechanical behaviour, particularly in fatigue. In this context, the WAAM production, and the study of the metallurgical structures and the mechanical behaviours of the materials obtained, in particular the fatigue initiation phase, were conducted. The chosen base materials are the 316L stainless steel and the TA6V titanium alloy. At first, the manufacturing of specimens by stacking of welding beads was realised. The impact of the process parameters setting and its physical consequences (electrical characteristics of the arc, temperatures, size of the bath), measured by means of in-situ instrumentation, on the geometries obtained (beads size, wetting), were analysed. In a second step, the impact of the sets of parameters on the characteristics of the granular structures formed, as well as on the particularities of the substructures, was studied in connection with the physical data collected. The phenomena of solidification and evolution in the solid phase specific to the WAAM process, which are different for each of the two materials studied, were discussed. The application of heat treatments has permitted to obtain materials different from the as-welded states (phase proportions, sizes of the substructures, etc.). The mechanical behaviour of the structures manufactured by WAAM was then studied through tensile, staircase cycling, and finally fatigue tests. These tests are complementary, and make it possible to understand the phenomena of plastic deformation and initiation of fatigue cracks. These analyses were held in a thermo mechanical framework : strain energy fields and heat sources were estimated after processing CCD and infrared images. The evolution of the intrinsic dissipation testifies to irreversible damage phenomena. These analyses made it possible to reveal differences in behaviour according to the loading direction and the microstructures generated. Calculations of deformation and dissipation fields have permitted to identify the areas prone to deformation and fatigue damage within the specimens. They contribute to a better understanding of the behaviours of materials, and of the influence of microstructural characteristics induced by process settings.
Le procédé de fabrication additive WAAM (wire-arc-additive-manufacturing), dérivé du procédé de soudage à l’arc, est plébiscité car il permet notamment la réalisation de pièces massives. Il tend cependant à produire des macrostructures de grains colonnaires texturées, menant à une anisotropie de comportement mécanique. Peu de travaux ont été menés à ce jour sur l’impact des paramètres du procédé sur les microstructures formées, ainsi que sur leur comportement mécanique, notamment en fatigue. Dans ce contexte, la fabrication WAAM, et l’étude des structures métallurgiques et des comportements mécaniques des matériaux obtenus, notamment en phase d’initiation à la fatigue, ont été réalisées. Les matériaux de base choisis sont l’acier inoxydable 316L et l’alliage de titane TA6V. Dans un premier temps, la fabrication d’éprouvettes par empilement de mono-cordons a été réalisée. L’impact du réglage des paramètres du procédé et ses conséquences physiques (caractéristiques électriques de l’arc, températures, taille du bain), mesurées par le biais d’une instrumentation in-situ, sur les géométries obtenues (taille de cordons, qualité du mouillage), a été analysé. Dans un second temps, l’impact des jeux de paramètres sur les caractéristiques des structures granulaires formées, ainsi que sur les particularités des sous-structures, a été étudié en lien avec les données physiques récoltées. Les phénomènes de solidification et d’évolution en phase solide propres au procédé WAAM, différents pour chacun des deux matériaux étudiés, ont été discutés. L’application de traitements thermiques a permis l’obtention de matériaux différents des états bruts (proportions de phases, tailles des sous-structures…). Le comportement mécanique des structures fabriquées par WAAM a ensuite été étudié par le biais d’essais de traction, de cyclage par paliers de charges, et enfin de fatigue. Ces essais sont complémentaires, et permettent d’appréhender les phénomènes de déformation plastique et d’initiation de fissures en fatigue. Ces analyses ont été menées dans un cadre thermomécanique : des champs d’énergies de déformation et de sources de chaleur sont estimés après traitement d’images CCD et infrarouge. L’évolution de la dissipation intrinsèque témoigne de phénomènes irréversibles d’endommagements. Ces analyses ont permis de révéler des différences de comportements selon la direction de chargement et les microstructures générées. Les calculs de champs de déformation et de dissipation ont permis d’identifier les zones favorisant la déformation et l’endommagement de fatigue au sein des éprouvettes. Ils contribuent à une meilleure compréhension des comportements des matériaux, et de l’influence des caractéristiques microstructurales induites par les réglages du procédé.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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