Étude du comportement et de l'évolution microstructurale d'alliages de titane Ti-6Al-4V lors du formage superplastique ou du formage à chaud

Analise do comportamento e evoluçao microestrutural da liga de titanio Ti-6Al-4V durante o processo de conformaçao superplastico e quente

Investigation of the mechanical behaviour and microstructural evolution of titanium alloys under superplastic and hot forming conditions

• Auteur / Autrice : Marcio Wagner Batista dos Santos
• Direction : Gérard Bernhart, Gilmar Ferreira Batalha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 09/10/2017
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux en cotutelle avec Escola politécnica (São Paulo)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Luciano Pessanha Moreira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Bernhart, Gilmar Ferreira Batalha, Maria Helena Robert, Vincent Velay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Helena Robert, Jean-Jacques Blandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Formage superplastique

Essais (technologie)

Microstructure (physique)

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Formage à chaud

Superplasticité

Formage superplastique

Évolution microstructurale

Modèle de comportement

Conformação a quente

Superplasticidade

Conformação superplástica

Evolução microestrutural

Modelo de comportamento

Hot forming

Superplasticity

Superplastic forming

Microstructural evolution

Behavioural modelling

Résumé

Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une cotutelle internationale entre l’IMT - École des Mines d’Albi-Carmaux et l’Ecole Polytechnique de l’Université de Sao Paulo (EPUSP). Elle a pour but de contribuer à l’étude du comportement mécanique des alliages de titane Ti6Al4V, et plus spécialement dans le domaine du formage superplastique et du formage à chaud. L’objectif général de ce doctorat est de contribuer au développement de procédés de formages non conventionnels des alliages de titane pour applications aéronautiques. C’est pourquoi, en fonction des équipements disponibles sur les deux sites, les travaux de recherche se sont déroulés soit à l’Ecole des Mines soit à l’EPUSP. Cette thèse adresse la problématique scientifique des interactions entre le comportement mécanique dans le domaine du formage superplastique et de formage à chaud d’une part et la microstructure initiale et son évolution dans le domaine de sollicitation d’autre part. Pour cela une stratégie d’essais et de caractérisation a été développée et suivie. Les essais incluent des essais mécaniques uniaxiaux à haute température sur différents alliages Ti6Al4V présentant des microstructures initiales différentes (taille de grain 0,5; 3,0 et 4,9 μm). Une attention particulière a été portée à l’évolution microstructurale avant essai - c’est- à-dire durant sa montée en température et la stabilisation thermique de l’échantillon – et durant l’essai. Les conditions d’essai ont été choisies de façon à couvrir le domaine du formage à chaud et du formage superplastique, température de 700°C à 950°C et vitesse de déformation entre 10-1 s-1 et 10-4 s-1. La croissance de grain dépend de la microstructure initiale mais aussi de la durée de l’essai en température (croissance statique) et de la vitesse de déformation (croissance dynamique). Afin d’améliorer la validité du modèle des observations microstructurales de taille de grain sont effectués après les essais mécaniques par micrographie optique et Microscope Electronique à Balayage. Un modèle de comportement unifié a été introduit de façon à être capable de couvrir toute la plage de température et de vitesse de déformation : écrouissage cinématique non linéaire, sensibilité à la vitesse de déformation et loi de croissance de la taille des grains sont inclus dans le modèle. Afin de pouvoir valider le modèle, il a été introduit dans le code de simulation ABAQUS®. Les résultats des simulations (en particulier déformation macroscopique et taille de grain locale) ont été comparés, pour l’un des matériaux de l’étude, aux résultats d’un essai de gonflage axisymétrique de tôle. Pour obtenir un cycle de contrôle simple, les essais effectués au laboratoire de l’IPT/LEL à Sao José dos Campos au Brésil ont été opérés à vitesse de déformation constante. Les résultats montrent une très bonne corrélation avec les prédictions et permettent de conclure à une validation du modèle de comportement développé dans la thèse dans des conditions industrielles de formage de l’alliage de titane.

This thesis was developed in the frame of a Brazil-France cooperation agreement between the École des Mines d'Albi-Carmaux and the Polytechnic School of Engineering of the University of Sao Paulo (EPUSP). It aims to contribute to the study of the mechanical behaviour of Ti6Al4V alloys especially in terms of superplastic forming. The general objective of this research is to develop non-conventional forming processes for new titanium alloys applied to aerospace components. Therefore, in accordance of the equipment’s available in the two groups, the work will be conducted either at the Ecole des Mines d'Albi-Carmaux and either at EPUSP. This thesis aims to answer questions such as what are the implications in relation to the microstructural and mechanical behaviour of these alloys during superplastic and hot forming in order to establish a behaviour law for these alloys based on titanium. This requires a good knowledge of the properties of materials used in the superplastic and hot forming domain to control the parameters governing the phenomenon of superplasticity or high temperature plasticity. For this, a testing strategy and characterization methodology of those new titanium alloys was developed. The tests include high temperature uniaxial tensile tests on several Ti6Al4V alloys showing different initial grain sizes. Special focus was made on the microstructural evolution prior to testing (i.e. during specimen temperature increase and stabilization) and during testing. Testing range was chosen to cover the hot forming and superplastic deformation domain. Grain growth is depending on alloy initial microstructures but also on the duration of the test at testing temperature (static growth) and testing strain rate (dynamic growth). After testing microstructural evolutions of the alloys will be observed by optical micrograph or SEM and results are used to increase behaviour model accuracy. Advanced unified behaviour models where introduced in order to cover the whole strain rate and temperature range: kinematic hardening, strain rate sensitive and grain growth features are included in the model. In order to get validation of the behaviour model, it was introduced in ABAQUS numerical simulation code and model predictions (especially macroscopic deformation and local grain growth) were compared, for one of the material investigated, to axisymmetric inflation forming tests of sheet metal parts, also known as bulge test. To obtain a simple control cycle, tests performed at IPT/LEL laboratory in San José Dos Campos in Brazil were operated with a constant strain rate. Results show a very good correlation with predictions and allows to conclude on an accuracy of the behaviour models of the titanium alloys in industrial forming conditions.