Influence de la concentration locale d'hydrogène sur les paramètres d'un modèle de zone cohésive adapté aux chargements cycliques

Dans un environnement hydrogénant, on observe un abaissement de la résistance à la fissuration en fatigue des métaux par rapport à celle observée dans un environnement inerte. L'objectif de cette étude est de développer une modélisation de ces phénomènes complexes, que l'on confrontera aux résultats d'essais sous haute pression d'hydrogène menés au laboratoire. Pour ce faire, un modèle de fissuration utilisant une méthode à zone cohésive a été implanté dans le code de calcul ABAQUS

Laser-induced plume investigated by finite element modelling and scaling of particle entrainment in laser powder bed fusion

Although metal vaporisation has been observed in several laser processes such as drilling or welding, vapour plume expansion and its induced side effects are not fully understood. Especially, this phenomenon is garnering scientific and industrial interest since recent investigations in laser powder bed fusion (LPBF) have designated metal vaporisation as main source of denudation and powder spattering. The present study aims to provide a new insight on the dynamics of laser-induced vaporisation and to assess the potential of different gases for particle entrainment. A self-consistent finite element model of laser-induced keyhole and plume is thus presented for this purpose, built from a comprehensive literature review. The model is validated with dedicated experimental diagnostics, involving high-speed imaging to measure the ascent velocity of the vapour plume. The transient dynamics of vapour plume is thus quantified for different laser incident intensities and gas flow patterns such as the mushroom-like structure of the vapour plume are analysed. Finally, the model is used as a tool to quantify the entrainment flow expected in LPBF and an analytical model is derived to define a velocity threshold for particle entrainment, expressed in term of background gas properties. Doing so it is possible to predict how denudation evolves when the gaseous atmosphere is changed

Modélisation et simulation numérique de la propagation de fissure de fatigue assistée par I'hydrogène gazeux à haute pression

Dans le but d'estimer la durabilité des structures en condition de fonctionnement, il est nécessaire de connaître la résistance des matériaux en condition d'usage, en particulier sous chargements cycliques. Dans cette étude on s’intéressera à la fragilisation par l’hydrogène gazeux d'une classe d'aciers inoxydables. L’hydrogène entraîne généralement une dégradation des propriétés mécaniques des aciers. En outre, des études expérimentales ont mis en évidence l’influence néfaste de l’hydrogène sur la résistance à la fissuration en fatigue des métaux. L’objectif de cette étude est la modélisation de la propagation des fissures de fatigue assistée par l’hydrogène, et la comparaison aux résultats expérimentaux. Le modèle numérique a pour but d’aider à la compréhension du rôle de l’hydrogène dans la modification des mécanismes d’endommagement en pointe de fissure de fatigue en comparant les vitesses de propagation simulées à celles relevées au cours des essais. Pour ce faire, un modèle de zone cohésive dédiée à la fissuration sous chargement cyclique a été implanté dans le code de calcul ABAQUS. Le modèle éléments finis est développé dans le cadre de la Thermodynamique des Processus Irréversibles. On formule une loi de traction-séparation spécifique, apte à décrire la dégradation progressive des contraintes cohésives sous chargement cyclique, et sensible à la présence d’hydrogène. Le couplage entre comportement mécanique et diffusion de l’hydrogène peut être modélisé à l’aide d’un calcul couplé température/déplacement, disponible dans ABAQUS. Les simulation sont comparées à des essais de propagation de fissure en fatigue réalisés sur éprouvettes CT sous différentes pressions d’hydrogène sur le banc d’essais Hycomat, à l’Institut PPRIME à Poitiers, sur un acier inoxydable martensitique 15-5PH durci par précipitation. Elles montrent qu’on est capable de prévoir une forte diminution de la résistance à la fissuration en présence d’hydrogène

Erratum: “Transient dynamics and stability of keyhole at threshold in laser powder bed fusion regime investigated by finite element modeling” [J. Laser Appl. 33, 012024 (2021)]

Correctio

Transient dynamics and stability of keyhole at threshold in laser powder bed fusion regime investigated by finite element modeling

A Finite element model is developed with a commercial code to investigate the keyhole dynamics and stability at keyhole threshold, a fusion regime characteristic to laser microwelding or to Laser Powder Bed Fusion. The model includes relevant physics to treat the hydrodynamic problems - surface tension, Marangoni stress, and recoil pressure - as well as a self-consistent ray-tracing algorithm to account for the "beam-trapping"effect. Implemented in both static and scanning laser configurations, the model successfully reproduces some key features that most recent x-ray images have exhibited. The dynamics of the liquid/gas interface is analyzed, in line with the distribution of the absorbed intensity as well as with the increase of the keyhole energy coupling. Based on these results, new elements are provided to discuss our current understanding of the keyhole formation and stability at threshold.The authors are grateful to Anthony D. Rollett and Tao Sun for helpful discussion on their x-ray experiments. This work has been supported by Safran Additive Manufacturing and Association Nationale de la Recherche et de la Technology (ANRT)

Modélisation de la propagation de fissure de fatigue assistée par l'hydrogène gazeux dans les matériaux métalliques

Experimental studies in a hydrogeneous environment indicate that hydrogen created by surface reactions, then drained into the plastic zone, leads to a modification of deformation and damage mechanisms at the fatigue crack tip in metals, resulting in a significant decrease of crack propagation resistance. This study aims at building a model of these complex phenomena in the framework of damage mechanics, and to confront it with the results of fatigue crack propagation tests in high pressure hydrogen on a 15-5PH martensitic stainless steel. To do so, a cohesive zone model was implemented in the finite element code ABAQUS. A specific traction-separation law was developed, which is suitable for cyclic loadings, and whose parameters depend on local hydrogen concentration. Furthermore, hydrogen diffusion in the bulk material takes into account the influence of hydrostatic stress and trapping. The mechanical behaviour of the bulk material is elastic-plastic. It is shown that the model can qualitatively predict crack propagation in hydrogen under monotonous loadings; then, the model with the developed traction-separation law is tested under fatigue loading. In particular, the simulated crack propagation curves without hydrogen are compared to the experimental crack propagation curves for the 15-5PH steel in air. Finally, simulated fatigue crack propagation rates in hydrogen are compared to experimental measurements. The model's ability to assess the respective contributions of the different damage mechanisms (HELP, HEDE) in the degradation of the crack resistance of the 15-5PH steel is discussed.De nombreux travaux expérimentaux mettent en évidence que, dans un environnement hydrogénant, l'hydrogène généré par des réactions en surface puis drainé dans la zone plastifiée modifie les mécanismes de déformation et d'endommagement en pointe de fissure de fatigue dans les métaux, entraînant un abaissement important de leur résistance à la fissuration. L'objectif est de développer un modèle de ces phénomènes complexes dans le cadre de la mécanique de l'endommagement, et de le confronter aux résultats d'essais de propagation de fissure de fatigue sous hydrogène gazeux sur un acier inoxydable martensitique 15-5PH. Un modèle de fissuration utilisant une méthode de zone cohésive a été implémenté dans le code de calcul ABAQUS. Une loi de traction-séparation adaptée aux chargements cycliques, dont les paramètres sont influencés par la concentration en hydrogène, a été développée. De plus, la diffusion de l'hydrogène tient compte de l'influence de la contrainte hydrostatique et du piégeage. Le comportement mécanique du volume du matériau est modélisé par une loi élastoplastique. On montre que le modèle est capable de prédire la propagation monotone en présence d'hydrogène, puis on étudie la capacité du modèle cohésif avec la loi de traction-séparation développée à prédire les courbes de propagation de fatigue pour l'acier 15-5PH sous air. Enfin, les vitesses de propagation de fissure de fatigue simulées en présence d'hydrogène sont comparées à celles obtenues expérimentalement. La capacité du modèle à évaluer les contributions respectives des mécanismes d'endommagement (HELP, HEDE) dans la dégradation de la résistance à la fissuration de l'acier étudié est discutée

Numerical study of the impact of vaporisation on melt pool dynamics in Laser Powder Bed Fusion - Application to IN718 and Ti–6Al–4V

International audienceA finite element model of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process applied to metallic alloys at a mesoscopic scale is presented. This Level-Set model allows to follow melt pool evolution and track development during building. A volume heat source model is used for laser/powder interaction considering the material absorption coefficients, while a surface heat source is used to consider the high laser energy absorption by dense metal alloys. An energy solver is applied considering convection and conductivity evolution in the system. Shrinkage during consolidation from powder to dense material is modelled by a compressible Newtonian constitutive law. An automatic remeshing strategy is also used to provide a good compromise between accuracy and computing time. Different cases are investigated to demonstrate the influence of the vaporisation phenomena, of material properties and of laser scan strategy on bead morphology

Transient dynamics and stability of keyhole at threshold investigated by finite element modeling

International audienc

A mesoscopic approach for modelling laser beam melting (LBM)

Laser Beam Melting (LBM) is currently garnering industrial attention and many numerical researches have been carried out in order to understand the physics behind the process. However, due to the gap between the grain scale (micrometres) and the bead scale (millimetres), current state-of-the-art multi-physical models are computationally expensive as each powder grain is individually represented. Hence, simulating more than a single LBM track in a reasonable computational time is a challenging task. To overcome this limitation, a new mesoscopic approach is proposed, which intends to bridge the fine thermo-hydrodynamic representation and the macroscopic thermal models. The powder bed is represented by a homogeneous medium with both equivalent thermal and fluid properties. A bulk heat source is considered when the laser heats the powder bed whereas a surface heat flux is imposed on the melted powder bed surface. Apparent viscosity and surface tension are attributed to the homogenized medium so that modelling powder densification, melting and spheroidization of the melt pool is made possible by solving compressible Navier-Stokes equations. In addition, thermocapillary effects as well as vaporisation-induced recoil pressure are implemented, so that realistic thermo-hydrodynamic phenomena are successfully taken into account

Thermo-mechanical simulation of track development in the Laser Beam Melting process - Effect of laser-metal interaction

International audienc