Fermeture de la porosité dans les tôles fortes d'alliage d'aluminium pour l'aéronautique

Porosity closure in aluminum alloy thick plates for aerospace

• Auteur / Autrice : Pauline Gravier
• Direction : Luc Salvo, Pierre Lhuissier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Olivier Bouchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thilo Morgeneyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Limodin, Laurent Delannay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Tomographie (mathématiques)

Laminage

Mots clés libres

Fermeture de pores

Alliages d'aluminium

Micro-Tomographie X

Laminage à chaud

Eléments finis

Pore closure

Aluminum alloys

X-Ray microtomography

Hot rolling

Finite elements

Résumé

Les tôles fortes d’aluminium sont largement utilisées pour usiner des pièces aéronautiques. Pendant la transformation des ces tôles fortes, les pores présents à l’issue de la coulée sont refermés lors du laminage à chaud. Il existe différents modèles numériques qui permettent de décrire l’évolution de la porosité pendant un schéma de passe de laminage à chaud. Ces modèles sont basés sur des géométries de pores simples tel que des sphères ou de ellipsoïdes tandis que les pores de fonderie réels sont ramifiés et tortueux. Cette thèse a pour but de recueillir des données expérimentales 3D de pore réels pendant leur fermeture, de comparer leur fermeture aux modèles existants et de proposer un nouveau modèle simple. Des essais in situ de chargement uniaxial à haute température ont été caractérisés par micro-tomographie X en synchrotron. Ils fournissent des vues 3D des pores pendant leur déformation. Couplé à de la corrélation volumique, il est possible de suivre des dizaines de pores individuels pendant leur déformation et ainsi quantifier leur évolution morphologique (volume, forme, orientation) en fonction de la déformation. Des simulations éléments finis ont été utilisées pour déterminer les chemins de chargement correspondants. Des simulations du laminage à chaud ont aussi été réalisées pour s’assurer que les chemins de chargement locaux accessibles avec des échantillons compatibles avec la tomographie X sont représentatifs des chemins de chargement locaux d’une tôle laminée. Ainsi, une grande quantité de données relative à la fermeture et à l’ouverture de pores ont été accumulées en réalisant des essais de compression et de traction. L’influence de la morphologie du pore et des conditions expérimentales ont été étudiées afin de comprendre leur rôle dans la cinétique de fermeture des pores. La forme des pores est primordiale, les pores complexes ramifiés ferment différemment que les pores sphériques en raison de leur fragmentation pendant la fermeture. L’orientation du pore affecte aussi la fermeture, les pores allongés dans la direction du chargement sont plus difficiles à fermer. Par rapport à la morphologie du pore, les conditions expérimentales telles que la température et la vitesse de chargement ont une influence négligeable. Les données expérimentales permettent aussi de tester les différents modèles de fermeture de la littérature. La validité des modèles de fermeture dépend de la forme du pore et du chargement décrit par la triaxialité. Un modèle simple inspiré du modèle STB est proposé, il permet de mieux décrire la fermeture des pores complexes par rapport aux autres modèles existants pour des triaxialités négatives.

Aluminum thick plates are widely used in aerospace applications to machine structural aircraft elements. During the processing of these thick plates, pores present in ingots after casting are closed thanks to hot rolling. To describe the evolution of porosity during a given hot rolling pass schedule, different numerical models exist. These models are based on simple pore geometry such as spheres or ellipsoids, whereas real shrinkage pores are branched and tortuous. The present work aims at gathering 3D in situ experimental data on real pores during their closure, compare the pore closure to existing models and propose a simple model. In situ uniaxial mechanical test at high temperature were performed under synchrotron X-ray microtomography. It provides 3D view of pores during their deformation. Combined with Digital Volume Correlation, it allows to follow tens of individual pores during their deformation and thus quantify their morphological evolution (volume, shape, orientation) with strain. FEM simulations were used to characterize the corresponding stress paths. FEM simulations of hot rolling were also performed to ensure that local loading paths obtained on samples compatible with X-ray tomography are representative of local loading paths in a rolled plate. This way, a large amount of data on pore shrinkage and growth are accumulated using compression and tension tests. Pore morphology and processing conditions influence are investigated to understand their role in pore closure kinetics. Pore shape is of prime importance, complex branched pores close differently than spherical pores due to their fragmentation during closure. Pore closure is also affected by pore orientation, elongated pores along the loading direction are more difficult to close. Compared to pore morphology, processing conditions such as temperature or compression velocity have a negligible influence. Experimental data also allows to test the different closure models from the literature. It results that accuracy of pore closure model depend on the pore shape and type of loading in terms of triaxiality. A simple model derived from the STB model is proposed and describes better the closure of complex pores compare to existing models in negative triaxiality.