CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Design de microstructure et usinabilité d'un alliage de titane beta métastable – DEMUTI

Design de microstructure et usinabilité d'un alliage de titane bêta métastable

Contrairement à l'approche traditionnelle qui consiste à optimiser le procédé d'usinage, notre approche met l'accent sur le rôle des paramètres microstructuraux du matériau et de l'outil de coupe sur l'intégrité des surfaces. Les données recueillies pourront alors permettre de déterminer la microstructure optimale du matériau correspondant à un cahier des charges et donc le traitement thermique à réaliser, voire d’optimiser le design d’alliages.

Enjeux et objectif

Si l'optimisation des procédés d'usinage a fait l'objet, au cours de ces dernières décennies, d'évolutions technologiques visant à améliorer l'usinabilité des alliages de titane et ainsi maîtriser le coût de l'usinage, ils demeurent cependant perfectibles notamment lorsque des phases métastables apparaissent dans des conditions de traitement thermique spécifiques. Ces phases métastables, ou la formation des microstructures finales en passant par une phase métastable, sont le plus souvent recherchées car elles sont de taille nanométrique, et elles confèrent au matériau des propriétés très intéressantes au détriment de l'usinabilité. C'est le cas notamment des alliages de titane. <br />L'objectif scientifique de ce projet vise donc à comprendre et à quantifier l’impact des éléments de la microstructure des alliages de titane sur l'usinabilité et l’usure des outils de coupe. Cet objectif ne peut être atteint qu'en approfondissant l’étude des échanges chimiques entre le matériau et l'outil d’une part, et du comportement à l’échelle de la microstructure du matériau en conditions extrêmes d’autre part, en tenant compte de la chimie, de la cristallographie, et de la géométrie et du chargement réel de chaque phase. Les analyses métallurgiques seront accompagnées d’essais d’usinage instrumentés et de simulations numériques, physiques, à l’échelle de l’agrégat polycristallin.<br />Atteindre ces objectifs ambitieux permettra d'aider au design de microstructures idéales pour les alliages de titane en fonction d'un cahier des charges donné, et de fournir des données matériaux indispensables (lois rhéologiques avancées à base microstructurale) pour aider les bureaux d'étude dans leur choix de matériaux et aider aux simulations des procédés d’usinage.

Pour mettre en exergue le rôle de la microstructure sur l'usinabilité, l'originalité de ce travail sera de fabriquer des échantillons possédant des microstructures prédéfinies (dites «modèles«) et parfaitement caractérisées, puis de les solliciter en usinage orthogonal (opération d’usinage simple permettant une observation et une instrumentation de la zone) et dans un simulateur thermomécanique pour accéder aux cinétiques de changement de phases. Les microstructures retenues dans le cadre de ce programme seront comparables aux solutions retenues industriellement et suffisamment simples à la fois pour une étude plus fondamentale. L’alliage de titane ß-métastable Ti-5553 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0,35Fe-0,15O en masse %), essentiellement utilisé pour la fabrication de pièces massives et de structures a été retenu car il offre la capacité de fabriquer un large éventail de microstructures. D'autre part, les données cristallographiques et cinétiques sont connues. Comprendre et quantifier le rôle des grandeurs microstructurales sur l'usinabilité nécessite également de tenir compte des échanges chimiques entre l'outil de coupe et le matériau. L'objectif de cette démarche sera donc d'évaluer l'impact de la microstructure initiale comme de la cinétique de transformation de phases sur le caractère réactif de la surface et d'identifier les facteurs qui jouent un rôle prépondérant sur cette réactivité. Enfin, le rôle des grandeurs microstructurales sur les évolutions des états de contrainte à l'échelle de la phase dans le copeau et le matériau proche surface sera étudié. Là encore, l'originalité de notre démarche, qui est de fabriquer des microstructures bien maîtrisées, permettra d'identifier les potentiels changements de phases et de les quantifier comme de suivre l'état de contrainte en complexifiant progressivement la microstructure.Les éléments quantitatifs sera enfin comparé à une modélisation à l'échelle cristalline lors d'une simulation d'usinage

Nous avons établi les chemins thermiques pour 3 microstructures modèles et caractérisé quantitativement leurs grandeurs microstructurales que sont les fractions de phase et les tailles caractéristiques des différentes morphologies de phase ?. Les cinétiques de dissolution de la phase ? ont été établies pour des vitesses de chauffage allant jusqu'à 100°C/s. Ce travail fera l'objet d'une première publication dans une revue internationale. La mise en plan du dispositif de compression/cisaillement en température est validée par l'ensemble des contributeurs. Celle associée au dispositif en température sans chargement mécanique est également validée. Pour la tache portant sur la mesure simultanée des champs thermique et de déplacement, un algorithme d'apprentissage profond est en cours de finalisation pour déterminer plus finement la géométrie du copeau. Les essais de rabotage sur les microstructures modèles sont en cours de réalisation. Une série de pré-essais a été réalisée sur un alliage de titane Ti17, pour valider la procédure d’acquisition cinématique. Les analyses d’images permettent d’analyser la formation du copeau, et ainsi connaitre l’effet de la microstructure sur l’usinabilité. De plus, il est alors possible d’observations les mécanismes de déformation à prendre en compte pour de la modélisation numérique. Un investissement obtenu (hors projet ANR) va permettre d’ici la fin de l’année de disposer de 2 caméras rapides afin de pouvoir faire des acquisitions en 3D.

Le chemin thermique des autres microstructures modèles reste à établir. Les cinétiques de dissolution de la phase ? depuis différents état microstructuraux modèle est également programmées pour des vitesses de chauffage allant jusqu'à 100°C. Les mesures de propriétés thermophysiques nécessaires à la modélisation dans la tâche 4 sont en cours et devraient être obtenues pour la fin de l'année 2020. Pour ce qui concerne la réactivité chimique, Les premiers essais de validation sont programmés mi-novembre 2020. La campagne d'essais de compression/cisaillement en température sera réalisée et les caractérisations microstructurales et chimiques des couples matériau/outil seront menées par un stagiaire PFE du LEM3 à partir de février 2021 et le doctorant en place au CIRIMAT. Les premières simulations des échanges chimiques entre l''alliage de titane et l'outil de coupe seront réalisées en parallèle aux premières caractérisations microstructurales et chimiques dans le courant de l'année 2021. La tache portant sur l'usinabilité des différentes microstructures modèles progresse bien également. Une gradation des difficultés d'exploitation va être menée pour chaque microstructure modèle. Il sera comparé l'effort de coupe, la segmentation par apprentissage profond et la corrélation d'images numériques. La campagne d'essai de rabotage sera poursuivie ainsi que l'exploitation des résultats. La campagne d'essais thermomécaniques nécessaire à la modélisation à l'échelle cristalline est programmée.

1 conférence internationale et 1 conférence nationale

Parmi les secteurs stratégiques que compte l'industrie française, l'aéronautique occupe une place particulière tant en terme d’image et d’innovation que du nombre d’emplois impliqués malgré un contexte économique encore défavorable. Pour conserver cette force et cette dynamique face à la concurrence grandissante des pays émergents, il est indispensable de maintenir la compétitivité de nos industries et leur capacité d'innovation. Ce maintien passe par le développement continu de nouveaux procédés d'élaboration et d'alliages à forte valeur ajoutée. Dans le cas des alliages de titane, l'usinage est identifié par les industriels de ce secteur comme une opération critique malgré des progrès technologiques significatifs réalisées au cours de la dernière décennie. En effet, de nombreuses pièces finies sont usinées intégralement dans la masse occasionnant une coût financier important en raison d'une usinabilité médiocre en comparaison à un grand nombre d'autres alliages comme les alliages d'aluminium.
Pour améliorer l'usinabilité des alliages de titane, l'approche traditionnelle consiste à optimiser le procédé d'usinage en s'intéressant, par exemple, à la géométrie des outils ou aux efforts de coupe en se basant sur des modèles de tournage ou de fraisage. Notre approche met l'accent sur le rôle des paramètres microstructuraux du matériau et de leur interaction avec l'outil de coupe sur l'intégrité des surfaces.
L'objectif scientifique vise donc à comprendre et à quantifier l’impact des éléments caractéristiques de la microstructure des alliages de titane sur l'usinabilité et l’usure des outils de coupe. L'originalité de notre approche repose sur la fabrication d'un ensemble de microstructures dites "modèles" pour comprendre les mécanismes physique, chimique et mécanique élémentaires. Cette étude s'accompagnera d'une analyse fine de la réactivité chimique matériau/outil et des copeaux d'usinage en fonction de la microstructure ainsi que d'un volet modélisation à l'échelle cristalline. Ce travail est ambitieux car il se place aux limites de l'état de l'art et parce qu'il est basé sur une approche quantitative et multi-échelle impliquant des aspects de physique fondamentale, de métallurgie, de mécanique et de modélisation, et enfin parce qu'il concerne des matériaux à forte valeur ajoutée, mis en œuvre dans un secteur industriel concurrentiel au niveau international.
Atteindre ces objectifs permettra d'aider au design de microstructures idéales pour les alliages de titane en fonction d'un cahier des charges donné et de fournir des données matériaux indispensables (lois rhéologiques avancées à base microstructurale) pour les simulations des procédés d’usinage. Les avancées de ce travail de recherche permettront d'aider également les fabricants d'outils au développement de nouveaux revêtements, voire de nouveaux outils afin d'améliorer la qualité de surface et de limiter leur usure conduisant ainsi à une réduction de la consommation d'outils de coupe.

Coordination du projet

Moukrane Dehmas (CENTRE INTERUNIVERSITAIRE DE RECHERCHE ET D'INGÉNIÉRIE DES MATÉRIAUX)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CIRIMAT CENTRE INTERUNIVERSITAIRE DE RECHERCHE ET D'INGÉNIÉRIE DES MATÉRIAUX
LEM3 Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux
ENSAM-LAMPA Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers - Laboratoire Angevin de Mécanique, Procédés et Innovation
TIMET TIMET SAVOIE

Aide de l'ANR 393 725 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 42 Mois

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