Étude du comportement en fatigue vibratoire de l'alliage de titane TI-6Al-4V produit par fabrication additive

Dans ce mémoire, la résistance à l'amorce de fissures de fatigue de spécimens à surface lisse sous environnement vibratoire pour un nombre de cycles à la rupture de 107 cycles est déterminée pour un alliage de titane, le Ti-6Al-4V, produit par fabrication additive (FA). Plus spécifiquement, deux procédés sont examinés, soit la fusion sélective à lit de poudre, de l'anglais Selective Laser Melting (SLM), et la déposition directe à fil, connue sous le nom de Wire Beam Deposition (WBD). Ces deux technologies sont considérées comme étant candidates pour la fabrication de pièces à géométries avancées dans le domaine aérospatial. De plus, plusieurs avantages sont communément associés à celles-ci, comme la diminution importante des pertes de matériaux bruts lors de la fabrication. Par contre, afin de présenter un intérêt pour les fabricants d'équipement d'origine (FEO), les propriétés mécaniques des matériaux produits par SLM et WBD doivent être quantifiées et si possible optimisées dans le but d'égaler ou de surpasser celles du matériau homologue corroyé tout en maintenant les avantages sommairement cités plus haut. La fatigue sous environnement vibratoire est connue comme étant une technique d'essai de fatigue qui génère les conditions les plus proches de celles que subissent les aubes et les vannes dans des turbines à gaz. Ainsi, ce projet vise à caractériser certains des facteurs contrôlant la résistance à l'amorce de fissures de fatigue de spécimens à surface lisse sous environnement vibratoire afin de découvrir s'il est possible de dépasser la performance du titane corroyé rencontrant la spécification AMS 4911. La revue de littérature examine la théorie fondamentale traitant du Ti-6Al-4V, des deux procédés de FA considérés ainsi que de la fatigue conventionnelle et vibratoire de cet alliage. Il est expliqué que l'alliage Ti-6Al-4V est classifié �−�. De plus, les traitements thermiques pour ce type d'alliage dépendent de la germination de la phase � par vieillissement, c.-à-d. de sa géométrie, de sa conformation et de sa proportion dans la microstructure finale. Ensuite, la section traitant de la FA explique comment le SLM, procédé à base de lit de poudre, mène à un matériau contenant des pores avec une structure martensitique. Ce procédé nécessite en général un post-traitement important afin d'obtenir une microstructure apte aux applications structurelles. Le WBD génère un matériau qui est moins homogène, mais sans défauts et plus performant, nécessitant peu de post-traitement.

Abstract

This dissertation looks to characterize the bending vibration fatigue crack initiation behaviour of Ti-6Al-4V produced by means of Additive Manufacturing (AM). The high cycle fatigue regime is chosen and samples are tested to 107 cycles. Two processes are investigated, Selective Laser Melting (SLM) and Wire Beam Deposition (WBD). These two technologies are candidates for use in the aerospace industries, thus generating interest for research and development. Among other advantages, AM promises better buy-to-fly ratios and the possibility to generate advanced geometries without additional complex tooling. Durability of these materials is of great concern for Original Equipment Manufacturers and research efforts must reflect this reality. Important knowledge gaps are present that must be filled in order to reliably produce high-performance and durable materials using AM technologies. More specifically, vibration fatigue is known to be representative of turbine blade and vane High Cycle Fatigue (HCF) conditions. This projects aims to fill this specific knowledge gap in AM litterature. As such, this project aims to characterize certain factors controlling crack nucleation behaviour in smooth specimens under vibratory fatigue solicitation and, if possible, determine if crack nucleation resistance of conventional wrought AMS 4911 can be equaled or surpassed. The litterature review is divided into the three main apsects of the projet, i.e. the material, Ti-6Al-4V, the test methodology and the AM processes. Ti-6Al-4V is classified as an � − �alloy. Heat treatment strategies for these alloys depend mainly on the controlled growth of the � phase through ageing and controlled cooling. In the section on AM, it is revealed that SLM tends to generate martensitic structures containing pores in the as-built condition that require post-processing for structural use. As for WBD, the as-built condition is shown to be fully dense and to have a satisfactory mechanical behaviour with minimal post-processing. Lastly, the litterature review presents fatigue of conventionnally and AM processed Ti-6Al-4V. It is shown that, when defect free, the largest microstructurally aligned domain controls crack nucleation. However, defects will dominate crack nucleation through stress concentration if introduced into the material. It is the case for SLM samples, where process-induced porosity dominates crack nucleation, necessitating a HIP cycle for microstructure to take-over crack nucleation behaviour. As for WBD, it is shown that the as-built condition leads to a fatigue resistance equal to conventional wrought materials, although nucleation mechanisms are not clearly identified.