Processing effects on the structure and behavior of Nickel based alloys produced by additive manufacturing

par Laura Delcuse-Robert

Thèse de doctorat en Science des matériaux

Sous la direction de Alexis Rusinek et de Mohamed Slim Bahi.

Le président du jury était Salima Bouvier.

Le jury était composé de Alexis Rusinek, Mohamed Slim Bahi, Nadhir Lebaal, Eric Markiewicz, Teresa Frąś, Christophe, Paul Czarnota, Paul Wood.

Les rapporteurs étaient Nadhir Lebaal, Eric Markiewicz.

  • Titre traduit

    Effets du procédé sur la structure et du comportement des alliages base Nickel fabriqués par Fabrication Additive


  • Résumé

    En raison de sa résistance élevée à haute température, l'Inconel 718 est souvent utilisé dans le domaine aérospatial. Grâce à la fabrication additive, de nouvelles structures telles que les structures auxétiques peuvent être produites en Inconel 718 et ainsi offrir de nouvelles opportunités dans de nombreuses applications industrielles. Sous une charge d'impact, la grande capacité d'absorption d'énergie des structures auxétiques offre de nouvelles possibilités, principalement en matière de sécurité dans le domaine routier. Le travail présenté ici est développé autour de cette problématique. Tout d'abord, les paramètres géométriques d'une structure en nid d'abeille inversée ont été optimisés par simulation numérique, en utilisant un plan d’expérience Taguchi et une étude paramétrique. L'influence des paramètres de fusion laser sur lit de poudre - ou Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) - a également été abordée sur des structures auxétiques à paroi mince en Inconel 718. La direction d’impression et la densité d'énergie du laser ont été varié afin de déterminer leur effet sur la porosité et la précision d'impression sur des structures minces. Ensuite, le comportement mécanique des structures en nid d’abeille inversée a été étudié en traction et en compression, afin d'identifier la cinétique de déformation de la structure. Pour reproduire ce comportement mécanique, le comportement en compression de l'Inconel 718 imprimé dans les directions d’impressions horizontales (XY) et verticales (ZX) a été étudié en utilisant des conditions quasi-statiques et dynamiques. Les vitesses de déformation appliquées sont comprises entre 10-3 s-1 et 2500 s-1 . Une loi de comportement de Johnson-Cook a été déterminé en tenant compte de l'effet de la direction d’impression sur les propriétés mécaniques. L'anisotropie de l'Inconel 718 imprimé dépend de la direction d’impression, ce qui a été révélée par une étude microstructurale. En utilisant des cartes d'orientat ion EBSD et des micrographies BSE, il a été constaté que la direction de construction horizontale (XY) contient principalement des grains équiaxes par rapport à la présence de grains colonnaires et allongés pour la direction verticale (ZX). De plus, un gradient de microstructure a été observé dans les deux directions d’impression, du bord vers le cœur du matériau, divisé en trois zones : (i) bord, (ii) zone de transition et (iii) zone centrale. Selon l'analyse microstructurale, une nouvelle approche de modélisation de la limite d'élasticité a été développée sur la base de la taille des grains de l'Inconel 718, en fonction de la direction d’impression. Un modèle numérique d’une structure auxétique a été développé sur le logiciel Abaqus, sous un chargement en compression dynamique. La loi de comportement est alors validée par ce modèle , reproduisant le comportement mécanique de la structure auxétique à l’échelle macroscopique.


  • Résumé

    Regarding its high strength at high temperature, Inconel 718 is widely used in aerospace field. With additive manufacturing, novel structure such as auxetic structure should be produced in Inconel 718 and offered new opportunities in a wide range of industrial application. Under impact loading, the high energy absorption capacity of auxetic material allows new possibilities mainly on safety issues for transport vehicles. The current work is developed through this problematic. First, the geometrical parameters of a re-entrant honeycomb structure were optimised by applying a Taguchi method and a parametrical study on computational modelling. The influence of the laser powder bed fusion parameters (L-PBF) were also tackled on thin-walled cellular structures in Inconel 718. The building direction and the laser energy density were varying to determine their effect on the porosity and print accuracy on thin strut. Then, the mechanical behaviour of the optimised re-entrant honeycomb structures was studied under tension and compression loading to identify the kinetic of deformation of the structure. To reproduce this mechanical behaviour, the compression behaviour of the Inconel 718 printed into horizontal (XY) and vertical (ZX) building direction was investigated using quasi-static and dynamic strain rates, between 10-3 s-1 and 2500 s-1. A Johnson-Cook model was determined considering the effect of the building direction on the mechanical properties. The anisotropy of the printed Inconel 718 depends on the building direction and was revealed by a microstructural study. By using EBSD orientation map and BSE micrographs, it was found that the horizontal building direction (XY) mainly provided equiaxed grain as compared to columnar grain for vertical building direction (ZX). In addition, a microstructure gradient was observed for both building directions from the border to the volume, divided into three zones (i) border, (ii) transition and (iii) centre. According to the microstructural analysis, a novel modelling approach on the yield stress was developed based on the grain size of the Inconel 718. A numerical model of the auxetic structure was developed using Abaqus software, under dynamic compression loading. The behaviour law of the printed Inconel 718 is then validated by this model, reproducing the mechanical behaviour of the auxetic structure at the macroscopic scale.


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