Optimization of static properties of Ti-6Al-4V obtained by Wire-Direct Energy Deposition via a multi-scale analysis of the microstructure

Abstract

Dans un contexte aéronautique où la réduction des coûts et de l’empreinte environnementale est un facteur décisif, la fabrication additive est intéressante pour des pièces fabriquées à partir de matériaux à forte valeur ajoutée tels que les alliages de titane, comme c’est le cas du Ti-6Al-4V. Ces dernières années, les procédés de déposition directe de fil sont particulièrement intéressantes pour les industriels car ils permettent de réaliser des pièces métalliques plus grandes et plus rapidement qu’avec d’autres techniques. La fabrication en série d’éléments à l’échelle d’un composant d’avion comme le mât moteur peut notamment être envisagée via ce type de procédé. Néanmoins, cette fabrication additive à grande échelle, et en particulier la technique EBAM utilisant un faisceau d’électrons comme source d’énergie, implique des épaisseurs de couches et des tailles de bains de fusion qui génèrent des histoires thermiques complexes. Ces conditions thermiques conduisent à des microstructures et/ou textures singulières par rapport aux technologies traditionnelles qui auront un impact direct sur les propriétés mécaniques. Le but principal de cette thèse est donc de déterminer les conditions de fabrication optimales au regard des propriétés statiques. Pour cela, l’identification des principales caractéristiques microstructurales a été réalisée à la fois à l’échelle macroscopique mais aussi microscopique pour mieux comprendre les caractéristiques générales des composants en Ti-6Al-4V obtenus par la technique EBAM. Les aspects les plus remarquables sont la formation des gros grains β colonnaires traversant plusieurs couches mais surtout la présence des nombreuses lignes perpendiculaires au substrat. Au voisinage de ces lignes, nommées comme lignes thermiques, un changement de la morphologie et de la taille des lamelles α a lieu en raison de différentes histoires thermiques engendrées lors de la déposition des différents couches. Une étude de la possible influence de ce gradient microstructural sur la répartition de la déformation plastique en lien avec la microstructure a été réalisée. Une localisation de la déformation avec des grandes bandes de glissement est observée juste en dessous de ces lignes thermiques, là où une microstructure basketweave «épaisse » est présente. Une fois que les principales caractéristiques microstructurales ont été identifiées, une étude de l’influence de certains paramètres opératoires clés (temps d’interpasse, courant du FE, vitesse de débit de fil et vitesse d’avance) sur différents aspects (histoire thermique, macro/microstructure, composition chimique) a été réalisée. Une approche quantitative multi-échelle a alors été effectuée dans le but de comprendre leur influence sur les propriétés finales. Nous avons ainsi pu identifier une méthode permettant d’optimiser les propriétés statiques. Pour finir, nous avons proposé un traitement thermique de recuit β comme alternative possible pour améliorer les propriétés mécaniques.Additive manufacturing is of great interest to the aerospace industry in a context of competition to reduce costs and environmental footprint. It is especially attractive for parts made with high value-added materials such as titanium alloys, as is the case of the Ti-6Al-4V. Nowadays, Wire-Direct Energy Deposition processes are receiving particular attention from the industry as they can produce larger metallic parts more quickly than other technologies, making possible the serial production of aircraft components such as the pylon. However, these large-scale additive manufacturing technologies, and in particular the EBAM technique that uses an electron beam as energy source, involve layer thicknesses and melt pool sizes that generate complex thermal histories. These thermal conditions lead at the same time to singular microstructure and/or textures compared to traditional technologies, which would have a direct impact on mechanical properties. Therefore, the main goal of this Ph.D. thesis is to determine the optimal manufacturing conditions regarding the static properties. For this purpose, the identification of the main microstructural characteristics is carried out both at the macrostructure and microstructure scale to better understand the general characteristics of Ti-6Al-4V components obtained by the EBAM technique. The most remarkable aspects are the formation of large columnar β grains crossing several layers and especially the presence of parallel lines perpendicular to the substrate. In the vicinity of these lines, called layer bands, a change in the morphology and size of α lamellae occurs due to different thermal histories generated during the deposition of different layers. A study of the possible influence of this microstructural gradient on the distribution of plastic deformation in relation to the microstructure is performed. A deformation localization with large slip bands is observed just below these layer bands, where a “coarse” basketweave microstructure is present. Once the main characteristics are known, a study of the influence of some key operating parameters (interpass time, beam current, wire feed speed, and travel speed) on different aspects (thermal history, macro/microstructure, chemical composition) is carried out through a complete quantitative analysis with the aim of understanding their influence on the final properties and thus being able to design a guide for the optimization of the static properties. Finally, a β annealing heat treatment has been finally proposed as a possible alternative for the improvement of the mechanical properties