Academic literature on the topic 'Alliages aluminium-titane – Travail à chaud'

Le formage incrémental est un procédé de mise en forme flexible, avec des outillages peu couteux. Il est adapté pour la réalisation de pièces à usage unique comme des prothèses ou implants personnalisés en titane. Mais les efforts de formage importants avec le titane limitent les possibilités de géométries. Une solution pour diminuer les efforts de formage consiste à réaliser ce formage à chaud.L’objectif de cette thèse était d’étudier numériquement et expérimentalement le formage incrémental à chaud de pièces en titane. Un nouveau dispositif expérimental à chaud basé sur l’utilisation de cartouches chauffantes est proposé. Une campagne d’essais expérimentaux à chaud est menée afin d’étudier l’effet de la température et de différents paramètres du procédé pour une pièce tronconique en titane (Ti-6Al-4V). On montre qu’à haute température les efforts de formage sont plus faibles, la formabilité est améliorée. A 450°C, on obtient un angle limite de formage de 57°. La simulation numérique du formage incrémental est effectuée avec ABAQUS à température ambiante puis à chaud. On montre l’impact de certains paramètres du procédé sur l’effort axial et l’épaisseur finale. Les valeurs optimums de ces paramètres sont déterminées à partir de plans d’expériences et des surfaces de réponse. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux à chaud permet de valider le modèle numérique. On s’intéresse ensuite au formage incrémental à chaud d’une prothèse de crâne humain en titane en utilisant une approche d’ingénierie inverse
The incremental forming process is a flexible forming process, with low cost tooling. It is perfectly suited for single use products as customized titanium implants or prosthesis. But the important forming forces with titanium limit the geometries to realize. One of the solutions consists in performing this process at hot temperature.The objective of this work is to study numerically and experimentally the warm incremental forming process of titanium sheets. A new setup for the warm incremental forming process is proposed. It is based on the use of heating cartridges. A hot experimental test campaign with Ti-6Al-4V titanium alloy sheets is conducted in order to study the impact of the temperature and process parameters on the axial force and thickness distribution for a truncated cone. It is shown that the forming forces are lower at hot temperature and the formability is improved. For a temperature of 450°C, a forming limit angle of 57° is obtained.Numerical simulations with Abaqus of the incremental forming process are performed at room temperature and hot temperature. We show the impact of the punch diameter and the axial step size on the axial force and thickness. The optimum values of these parameters are determined by using an experimental design and response surfaces. The comparison between results obtained numerically and experimentally allows to validate the numerical model. We are then interested in the warm incremental forming process of a human skull prosthesis. A reverse engineering approach is used

Dans cette étude, une analyse expérimentale approfondie a été réalisée sur la compression à haute température (1280°C) d'un alliage TiAl TNM, visant à comprendre l'évolution de sa microstructure et de sa texture sous diverses conditions de déformation. Un dilatomètre a permis d'effectuer la compression à haute température, et la diffraction des rayons X à haute énergie (HEXRD - Synchrotron) a fourni des informations in-situ sur la transformation de phase et la texture. Le SEM-EBSD (Microscopie Électronique à Balayage - Diffraction des Électrons Rétrodiffusés) a permis de corréler l'orientation cristallographique aux caractéristiques microstructurales, et le SEM-EDX (Spectroscopie de Dispersion d'Énergie des Rayons X) a analysé la composition élémentaire de l'alliage. La compression uniaxiale dans la région des phases (α+β) a entraîné la transition d'une texture aléatoire vers une texture fibreuse {0002}α. Une texture basale forte a été obtenue sous des conditions de forte déformation et de faible taux de déformation, montrant un potentiel d'optimisation par des processus contrôlés. Les mécanismes observés lors de la déformation à haute température, tels que le glissement de dislocations, la polygonisation, la recristallisation dynamique continue (CDRX) et le glissement aux joints de grains (GBS), ont été analysés par rapport à leurs impacts sur la microstructure. L'influence de la déformation et du taux de déformation a été étudiée pour comprendre leur rôle dans l'évolution microstructurale. Un phénomène important observé durant la compression à haute température est la résurgence de la phase γ métastable. Cette résurgence a un impact significatif sur les propriétés mécaniques. Deux transformations de phases ont été identifiées : la transformation β → γ suivant la relation d'orientation Kurdjumov-Sachs (K-S) à tous les taux de déformation, et la transformation α → γ suivant la relation d'orientation Blackburn (BOR) à faibles taux de déformation. Dans la transformation β → γ, la sélection des variants a été analysée, révélant que le facteur de Schmid jouait un rôle clé. Les différences de composition chimique entre les phases β et γ ont mis en évidence le caractère displacif-diffusif de cette transformation. La transformation α → γ a montré des mécanismes similaires, mais a produit deux morphologies distinctes de γ : nodules et lamelles. Les lamelles suivaient strictement la BOR, formées par compression et cisaillement. En revanche, les nodules γ semblent résulter de la fragmentation initiale des lamelles γ, suivie de leur grossissement. Le comportement en déformation de l'alliage TNM sous différents taux de déformation a été étudié de façon systématique. Les courbes contrainte-déformation vraies, couplées aux données EBSD, ont mis en évidence les différences entre les comportements à faible et fort taux de déformation. À faibles taux, une région élastique suivie d'un état stable a été observée. À taux élevé, les courbes montraient une région élastique initiale, suivie d'un écoulement plastique, d'un écoulement discontinu, puis d'un état stable. À haut taux, l'échauffement adiabatique initié par la transformation α → β a augmenté la fraction de phase β, entraînant un adoucissement du matériau. L'état stable observé résulte d'un équilibre entre l'écrouissage par glissement de dislocations et l'adoucissement par récupération dynamique (DRV), CDRX et/ou GBS. L'analyse des désorientations intragranulaires a montré que le glissement de dislocations dominait à haut taux de déformation, tandis qu'à faible taux, ce mécanisme cédait progressivement la place au glissement aux joints de grains. Il a aussi été révélé que la déformation déclenchait la résurgence de la phase γ dans les grains β. Cette étude a permis de mieux comprendre les mécanismes de déformation à chaud et les processus de restauration, contribuant au contrôle microstructural et à l'optimisation des propriétés mécaniques des alliages TiAl
In this study, a detailed experimental investigation was conducted on the high-temperature (1280°C) compression of a TNM TiAl alloy, with the goal of understanding its microstructure and texture evolution under different deformation conditions. A dilatometer was used for high-temperature compression, while in-situ phase transformation and texture were analyzed using High-Energy X-ray Diffraction (HEXRD) at a synchrotron source. SEM-EBSD (Scanning Electron Microscopy - Electron Backscatter Diffraction) was employed to correlate crystallographic orientation with microstructural features, and SEM-EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) was used to analyze the alloy's elemental composition. Uniaxial compression in the (α+β) phase region led to a transition from a random texture to a {0002}α fiber texture. A strong basal texture developed at high strain and low strain rates, indicating the potential for optimizing the texture through controlled deformation. The mechanisms involved in high-temperature deformation, such as dislocation slip, polygonization, continuous dynamic recrystallization (CDRX), grain fragmentation, and grain boundary sliding (GBS), were analyzed for their impact on the alloy's microstructure. The study also examined the influence of strain and strain rate on these mechanisms, providing insights into how microstructure and texture evolve under different conditions. A key observation was the resurgence of the metastable γ phase during high-temperature compression, which has significant implications for mechanical properties. Two phase transformations were identified: the β → γ transformation, following the Kurdjumov-Sachs (K-S) orientation relationship, and the α → γ transformation, following the Blackburn orientation relationship at low strain rates. In the β → γ transformation, crystallographic analysis revealed that the Schmid factor played a critical role in variant selection. The chemical differences between the β and γ phases pointed to the displacive-diffusive nature of the transformation, involving both diffusion and displacement mechanisms. The α → γ transformation exhibited similar mechanisms, but resulted in two distinct γ morphologies: nodules and lamellae. The lamellae followed the Blackburn OR and formed through combined compression and shear, while γ nodules likely arose from the fragmentation and subsequent coarsening of γ lamellae, indicating different transformation pathways. The deformation behavior of the TNM alloy at different strain rates was systematically investigated. True stress-strain curves, EBSD microstructural data, texture analysis, and Kernel Average Misorientation (KAM) maps highlighted the differences in response to low and high strain rates. At low strain rates, the stress-strain curve showed an elastic region followed by a steady state. At higher strain rates, the curve displayed yielding, discontinuous yielding, and a steady state. The high strain rate induced adiabatic heating, initiating the α → β transformation and increasing the β phase volume fraction, leading to softening. In both cases, the steady-state deformation resulted from the balance between strain hardening from dislocation slip and softening due to dynamic recovery (DRV), CDRX, and GBS. Intragranular disorientation analysis showed that dislocation slip was dominant at high strain rates, while at lower strain rates, dislocation slip transitioned to grain boundary sliding as strain increased. Additionally, deformation was found to trigger the resurgence of the γ phase within β grains, affecting the microstructure. Texture analysis confirmed that the different phases developed distinct textures during deformation. This study enhances the understanding of hot deformation mechanisms such as dislocation slip, recovery, recrystallization, and phase transformation, providing valuable insights into microstructure and texture control for optimizing the mechanical properties of TiAl alloys

Dans l'industrie aéronautique, les alliages de titane sont utilisés pour leur excellent comportement mécanique associé à une faible masse volumique. Ils sont largement employés sous forme de tôles dont la mise en forme peut se faire par le biais de trois procédés : à température ambiante par opération d'emboutissage, à très hautes températures (T≈900°C) par formage superplastique (SPF) et à des températures intermédiaires (T=730°C, 880°C) par formage à chaud (HF). Le projet repose sur le développement du procédé d'emboutissage à chaud d'une tôle d'alliage de titane Ti-6Al-4V en conditions isothermes à des températures inférieures à 700°C. Par conséquent, la détermination des paramètres procédés et matériaux constitue une étape importante pour la mise en œuvre de simulations numériques et contribue à la réussite des opérations d'emboutissage de pièces industrielles. Ces paramètres procédés sont liés à la vitesse du poinçon, aux efforts de serre-flan et au frottement induit entre le flan et l'outillage. Leur analyse a permis de déterminer deux niveaux de températures (400°C et 500°C) offrant une chute drastique du coût énergétique, en comparaison des procédés HF ou SPF, tout en conservant des niveaux d'allongement suffisants. Les paramètres matériaux influençant le comportement de l'alliage sont analysés et quantifiés. Ils peuvent être influencés par plusieurs mécanismes : élasticité, viscosité, anisotropie (Hill48, Barlat91) et nature de l’écrouissage (isotrope, cinématique). Dans cette étude, un modèle de comportement élasto-viscoplastique anisotrope, capable de considérer les trajets de chargement subis par la tôle lors de sa mise en forme, a été formulé pour les deux niveaux de température. L’implantation du modèle de comportement a été réalisée dans le code de calcul éléments finis Abaqus/Standard 6.14® interfacé avec le logiciel ZMAT®. Elle a permis d’une part des simulations d’emboutissage de profil Omega pour lesquelles des comparaisons avec les expériences ont été réalisées et d’autre part, des calculs sur une pièce de forme complexe
In the aerospace industry, titanium alloys are used for their excellent mechanical behavior associated with low density. They are widely available in sheet form and the final shape can be obtained through three processes: at room temperature by stamping operation, at very high temperatures (T≈900°C) by superplastic forming (SPF) and at intermediate temperature (T=730°C, 880°C) by hot forming (HF). The project is based on the development of the hot stamping process of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet under isothermal conditions at temperatures below than 700°C. Therefore, the determination of the process and material parameters constitutes an important stage for implementing the numerical simulation while contributing to the success of the stamping operation at the scale of an industrial part. The process parameters are related to the punch speed, the blank holder forces and the friction induced between the sheet and the tool. Their analysis allowed to determine two temperature levels (400°C et 500°C) leading a drastic drop in energy cost, compared to HF or SPF processes, while maintaining enough elongation levels. The material parameters influencing the behavior of the alloy are analyzed and quantified. They can be influenced by several mechanisms: elasticity, viscosity, anisotropy (Hill48, Barlat91) and nature of hardening (isotropic, kinematic). In this study, an anisotropic elasto-viscoplastic behavior model, able to consider the loading path undergone by sheet during forming, has been formulated for both temperature levels. The implementation of the behavior model is achieved in Abaqus/Standard 6.14® Finite Element code with the material library plugin ZMAT®. It enables, on the one hand, stamping numerical simulations of a simple shape Omega profile for which experimental comparisons were done, on the other hand, calculations on an industrial part with a complex shape