Impact des paramètres du procédé FSW sur les évolutions métallurgiques multi-échelles et le comportement mécanique de soudures hétérogènes Al2024/Ti-6Al-4V en transparence

Impact of FSW parameters on the multi-scale metallurgical evolutions and the mechanical behaviour of dissimilar Al2024/Ti-6Al-4V lap joints

• Auteur / Autrice : Morgane Geyer
• Direction : Christine Boher, Vanessa Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 01/07/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• 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 : Yann Landon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Boher, Vanessa Vidal, Mohammad Jahazi, Eric Hug, Marie-Noëlle Avettand-Fenoël, Guillaume Racineux, Mario Guillo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammad Jahazi, Eric Hug

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Microstructure (physique)

Titane -- Alliages

Aluminium -- Alliages

Soudage

Mots clés libres

Procédé FSW

Soudage hétérogène

Alliage d'aluminium Al2024

Alliage de titane Ti-6Al-4V

Flux de matière

Microstructure

Interface

Comportement mécanique

FSW Process

Dissimilar welding

Aluminium alloy Al2024

Titanium alloy Ti-6Al-4V

Material flow

Microstructure

Interface

Mechanical behaviour

Résumé

Le soudage hétérogène Al2024/Ti-6Al-4V présente des possibilités d’allègement dans le secteur aéronautique, grand consommateur d’alliages de titane, à travers le remplacement des structures monolithiques en titane par des structures dites « hybrides » Al2024/Ti-6Al-4V. En raison de leurs grandes différences de propriétés physiques et de la formation de phases fragiles à l’interface, leur soudage par les procédés classiques par fusion n’est pas maitrisé. Le procédé de soudage par friction malaxage (FSW), s’opérant à l’état solide, se positionne comme un candidat prometteur au soudage Al2024/Ti-6Al-4V. Cette thèse vise à appréhender les relations existantes entre les paramètres du procédé, les évolutions métallurgiques induites à différentes échelles (du flux de matière aux échelles du grain et atomique) et le comportement mécanique des soudures, en vue de dégager des conditions de soudage optimisées au regard des propriétés mécaniques. En particulier, les soudures étant régies par des phénomènes thermique, d’écoulement de matière et métallurgique, les travaux de recherche sont organisés autour de ces trois aspects. Tout d’abord, l’instrumentation des essais FSW par thermographie infrarouge, couplée à des résultats numériques, ont permis de relier les conditions de soudage étudiées à un indice de chaleur. La caractérisation des soudures a ensuite révélé la formation de discontinuités « macroscopiques » (crochets, film continu de clad) dont les caractéristiques sont tributaires du flux de matière. A une échelle plus fine, des hétérogénéités métallurgiques, principalement attribuées à des évolutions de l’état de précipitation, sont observées dans l’Al2024. Enfin, à l’interface des hétérogénéités chimiques, pouvant donner lieu à la formation de composés intermétalliques, ont été identifiées. La contribution de toutes ces évolutions sur le comportement mécanique des joints soudés a été évaluée par corrélation d’images. En particulier, il est montré que les évolutions liées au flux de matière prédominent pour les conditions de soudage étudiées. L’ensemble des résultats obtenus dans ce travail ouvrent des perspectives intéressantes pour l’optimisation des propriétés mécaniques.

Dissimilar Al2024/Ti-6Al-4V welding presents opportunities of light-weighting in the aircraft industry, large consumer of titanium alloys, through the replacement of titanium monolithic structures with “hybrid” Al2024/Ti-6Al-4V structures. However, due to their large differences in physical properties and the formation of brittle intermetallic compounds, Al2024/Ti-6Al-4V welding by conventional fusion joining processes is very difficult. Friction stir welding (FSW) emerges as a promising candidate for Al2024/Ti-6Al-4V welding, since it is a solid state joining process.The aim of this thesis is to understand the relationship between the process parameters, the metallurgical evolutions induced at different scales (from the material flow to the grain and the atomic scales) and the mechanical behaviour of the welds, in order to identify optimized welding conditions regarding to the mechanical properties. In particular, since welds are governed by thermal, material flow and metallurgical phenomena, research studies are organized around these three points.The use of infrared thermography, coupled with numerical results, allow to establish a relationship between FSW parameters and a heat index. Then, the characterization of the welds reveals the formation of “macroscopic” discontinuities (hooks, continuous Alclad film) whose features depend on the material flow. On the scale of the microstructure, metallurgical heterogeneities, mainly related to the evolutions of the precipitation state, are observed in the Al2024. Finally, at the interface, chemical heterogeneities, which can lead to the formation of intermetallic compounds, are identified. The contribution of all these evolutions on the mechanical behaviour of the welds is assessed by digital image correlation. In particular, it is shown that the evolutions related to the material flow are predominant for the studied welding conditions. All the results obtained in this work offer some interesting perspectives for the optimization of the mechanical properties.