Experimental and Numerical Study of Needle Peening Effects in Aluminium Alloy 2024-T3 Sheets

Le grenaillage est un procédé utilisé dans l'industrie aérospatiale pour améliorer la vie en fatigue des composantes soumises à des contraintes cycliques, comme les trains d'atterrissage, les voilures d'avion et certaines pièces de moteurs. La méthode de grenaillage la plus commune consiste à projeter des petites billes sur la surface d'une pièce pour modifier sa structure de surface. Les impacts des billes, appelées grenailles, induisent des déformations plastiques en surface, ce qui conduit à des contraintes résiduelles compressives en surface. Bien que la grenailleuse soit utilisée pour le traitement de grandes pièces, il existe des technologies pour faire le grenaillage localisé, comme le grenaillage aux aiguilles. Ce travail de recherche a eu comme objectif d'analyser en détail le comportement d'un nouveau prototype d'appareil de grenaillage à aiguilles, appelé le SPIKERTM pour en comprendre les effets sur les contraintes résiduelles de l'alliage AA2024-T3. L'équipement a été premièrement caractérisé en utilisant une caméra à haute vitesse pour étudier son comportement en changeant la pression d'opération. L'ensemble des images collecté a été traité par un nouvel algorithme de manipulation numérique pour quantifier la vitesse et la fréquence des impacts des aiguilles. La vitesse au moment d'impact et la fréquence des impacts ont été déterminées pour différents paramètres d'opération. Il a été conclu que la vitesse et la fréquence des impacts augmentent avec la pression. Des anomalies du comportement, dont des variations de la fréquence et la vitesse parmi les aiguilles, ont été observées. La réponse de l'alliage AA2024-T3 au grenaillage aux aiguilles a été étudiée expérimentalement sur des tôles d'une épaisseur de 1.6 mm. Les tôles ont été coupées aux dimensions des bandes Almen et traitées par le SPIKER R. L'alliage AA2024-T3 a été choisi car il a été bien étudié à l'École Polytechnique de Montréal dans la cadre de recherche de grenaillage conventionnel. Des essais de saturation ont été réalisés pour déterminer la déflection à la saturation pour plusieurs paramètres de grenaillage. La déflection a été aussi mesurée avec l'outil standard Almen utilisé dans la vérification périodique du traitement. Comme l'aluminium n'était pas magnétiquement compatible avec l'outil Almen, la déformation des échantillons a été mesurée avec une Machine à Mesurer Tridimensionnelle (MMT). La répétabilité du procédé a été démontrée et la déflection au point de saturation, comme le temps de saturation, ont été obtenus. Les diamètres des indentations crées par les impacts ont été mesurés pour les différentes valeurs de pression en utilisant la photographie microscopique.

Abstract

Peening of metallic components is an effective treatment used in aerospace and automotive applications to improve fatigue properties or to blend and repair localized damage. This process is typically carried out using metallic airborne media, called shot. However, different processes make use of different media, such is the case of hard, pneumatically powered needles of needle peening equipment. In order to obtain a better understanding of the effects of needle peening in the same context as shot peening, this research work had as an objective to study in detail the behavior of the needle peening equipment in order to characterize the process, design an experimental campaign to measure the effects of needle peening on AA2024-T3 and to develop and validate a Finite Element (FE) model capable of replicating the results of needle peening. The needle peening equipment prototype, called SPIKER R, was developed by Shockform Aeronautique Inc. The equipment was characterized by utilizing high-speed camera recording in order to study its behaviour by varying the operating pressure. The obtained collection of images was ran through a newly developed digital image algorithm, so as to quantify the needles' velocity and frequency. The impact velocity and impact frequency were determined for different equipment operating parameters. It was concluded that both the average impact velocity and the impact frequency increase as the pressure becomes larger. Behaviour anomalies among the different needles, such as frequency and velocity variations, were brought to light; these conclusions could be of interest to the manufacturer. Ideally, all of the needles should behave as similarly as possible so as to produce a more uniform process. The response to needle peening of AA2024-T3 in 1.6 mm thick sheet form was studied by needle peening test specimens with dimensions of an Almen strips using the SPIKER R. AA2024-T3 was selected since it was extensively studied at École Polytechnique de Montréal as part of previous shot peening research. Saturation tests were done to determine the deflection at saturation for different peening parameters. The specimen deflection was measured using the standard Almen gauge used as part of routinary process control. Due to the aluminium magnetic incompatibility with the Almen gauge, the deformed specimen profile was measured using a Coordinate Measuring Machine (CMM). Repeatability of the process was demonstrated and the deflection at saturation, as well as the saturation time, was obtained. The indentation diameters created by impacts for different operating pressures were measured using microscopic photography. It was determined that the specimen deformation, as well as the indentation diameter, is larger when the operating pressure increases.