Thermo-microstructural-mechanical modeling for laser wire deposition of titanium alloys

Additive manufacturing (AM) is attracting significant attention for its ability to fabricate near-netshape components in a layer-by-layer fashion and to reduce the buy-to-fly (BTF) ratio compared to traditional manufacturing methods.Titanium alloys have been of great interest to the aerospace industry due to their high specific strength and excellent corrosion resistance.However, the fabrication of qualified AM titanium alloy components still requires exploration over a large amount of processing parameters, and it remains challenging to understand the process-structureproperty relationship for AM Ti-6Al-4V.This research introduced a new manufacturing methodology based on reverse engineering methods to propose a recipe of processing parameters based on the service property requirements for AM Ti-6Al-4V components.This methodology, comprised of three mechanistic models to predict and control the key variables in the AM process: thermal history, microstructure, and mechanical properties.In addition, this research aims to fill the knowledge gap by investigating the effect of travel speed, wire diameter, and oxygen content on cooling rates, microstructure, and mechanical properties of single bead width parts made from laser wire deposition (LWD) of Ti-6Al-4V. IV Ré suméLa fabrication additive (AM) suscite une attention particuliè re en raison de sa capacité à fabriquer des composants de forme quasi nette couche par couche et à ré duire le rapport achat-vol (BTF) par rapport aux mé thodes de fabrication traditionnelles.Les alliages de titane suscitent un grand inté rê t dans l'industrie aé rospatiale en raison de leur ré sistance spé cifique é levé e et de leur excellente ré sistance à la corrosion.Cependant, la fabrication de composants en alliage de titane AM qualifié s né cessite encore l'exploration d'un grand nombre de paramè tres de traitement, et il reste difficile de comprendre la relation processus-structure-proprié té pour l'AM Ti-6Al-4V.Cette recherche a introduit une nouvelle mé thodologie de fabrication basé e sur des mé thodes d'ingé nierie inverse pour proposer une recette de paramè tres de traitement basé e sur les exigences de proprié té s de service pour les composants AM Ti-6Al-4V.Cette mé thodologie, composé e de trois modè les mé canistes pour pré dire et contrôler les variables clé s du processus AM : l'historique thermique, la microstructure et les proprié té s mé caniques.De plus, cette recherche vise à combler le manque de connaissances en é tudiant l'effet de la vitesse de dé placement, du diamè tre du fil et de la teneur en oxygène sur les taux de refroidissement, la microstructure et les proprié té s mé caniques des piè ces à largeur de cordon unique fabriqué es à partir du dé pôt de fil laser (LWD) de Ti-6Al-4V.Tout d'abord, un modè le d'analyse par é lé ments finis (FEA) de transfert de chaleur transitoire 3D à 10 couches avec la mê me spé cification de taille que les dé pôts a é té dé veloppé pour simuler le processus LWD.Les taux de refroidissement pré vus ont é té comparé s aux taux de refroidissement calculé s mesuré s à l'aide d'une camé ra thermique, et l'é cart a é té trouvé infé rieur à 10 %, ce qui a confirmé la pré cision du modè le FEA.L'é tude de la corré lation entre l'é volution des taux de refroidissement et des couches a dé montré que le taux de refroidissement a atteint un plateau aprè s le dé pôt d'environ 6 couches indiquant que le modè le à 10 couches peut ê tre utilisé pour dé duire les taux de refroidissement des dé pôts avec des centaines de couches.Cette recherche s'appuie ensuite sur un modè le de microstructure basé sur l'approche des variables d'é tat internes de la litté rature, qui pré dit les fractions de phase α/β et la largeur de la latte α à partir de l'historique thermique d'entré e. La comparaison entre la microstructure pré dite et la microstructure quantifié e expé rimentalement a confirmé la fiabilité du modè le de microstructure.Dans cette recherche, les é quations constitutives dé veloppé es sur la base d'un ré seau neuronal artificiel (RNA) et d'un algorithme gé nétique (GA) de la litté rature ont é té utilisé es pour pré dire la limite d'é lasticité du Ti-6Al-4V en fonction des caracté ristiques microstructurelles quantifié es, notamment les fractions de phase, la taille des grains, V la concentration en é lé ments et la densité de dislocations.La limite d'é lasticité pré dite a é té comparé e à la limite d'é lasticité en traction, et le modè le a montré une grande pré cision avec un é cart infé rieur à 10 %.Le modè le de limite d'é lasticité intè gre les principaux mé canismes de renforcement tels que la ré sistance intrinsè que, le renforcement en solution solide (SSS), la ré sistance Hall-Petch et le durcissement de Taylor.Le mé canisme de renforcement SSS s'est avé ré le plus sensible pour affecter la limite d'é lasticité absolue totale sur la plage contrôlé e des caracté ristiques microstructurelles correspondantes.Ensuite, pour valider les modè les susmentionné s, une sé rie de coupons Ti-6Al-4V LWD ont é té fabriqué s dans deux gé omé tries avec des vitesses de dé placement, des diamè tres de fil et une teneur en oxygè ne diffé rents pour extraire les coupons de traction le long de la direction de construction (Z) et de la direction de dé placement (X).Une ré sistance à la traction anisotrope a é té trouvé e pour tous les dé pôts entre les directions Z et X, ce qui peut s'expliquer par trois mé canismes : la diffé rence de texture, la morphologie des grains β colonnaires et la pré sence de joints de grains α provenant de diffé rentes directions de traction.Tout d'abord, pour l'ensemble des coupons avec des vitesses de dé placement varié es, il a é té constaté que les taux de refroidissement augmentaient avec l'augmentation de la vitesse de dé placement, ce qui se traduisait par des grains plus fins et une ré sistance à la traction plus é levé e. En plus des principaux grains β colonnaires a priori, la macrostructure pré sentait des grains é quiaxes sur le bord et certaines zones des dé pôts en raison de la transition colonnaire à é quiaxe (CET).La comparaison entre le gradient thermique calculé G, le taux de croissance R et la carte de solidification a confirmé la morphologie de la structure de solidification.Il a é té discuté que le CET é tait induit par les conditions de solidification modifié es pendant le dé pôt.Par exemple, l'accumulation de chaleur au bord a abaissé G et favorisé le dé veloppement de grains é quiaxes.Deuxiè mement, pour l'ensemble des coupons avec des diamè tres de fil varié s, il a é té constaté que l'augmentation du diamè tre du fil entraî nait une largeur de bain de fusion non uniforme et des profils de paroi incohé rents en raison de conditions thermiques instables pendant le dé pôt.Un apport de chaleur accru et des taux de refroidissement ré duits ont é té constaté s avec un diamè tre de fil accru.En consé quence, des grains plus grossiers et une ré sistance à la traction plus faible ont é té signalé s avec un diamè tre de fil accru.De plus, la structure de la colonie α a é té observé e prè s des limites de grains β anté rieures pour les dé pôts avec un diamè tre de fil accru, ce qui pourrait faciliter VI la propagation des fissures et ré duire l'allongement.De plus, la fractographie a indiqué des dé fauts pré existants tels que des pores induits par le manque de fusion pour les dé pôts fabriqué s avec un diamè tre de fil accru, ce qui pourrait entraî ner une dé faillance pré maturé e et une ré duction de l'allongement.Enfin, pour l'ensemble des coupons fabriqué s à diffé rents niveaux d'oxygè ne, il a é té constaté que le dé pôt fabriqué avec une teneur en oxygè ne accrue pré sentait une ré sistance et une dureté considé rablement plus é levé es en raison de l'expansion des paramè tres de ré seau par l'oxygè ne interstitiel.Une combinaison de morphologie colonnaire et é quiaxe a é té trouvé e et confirmé e par la comparaison entre les conditions de solidification (G et R) et la carte de solidification.Les dé pôts à teneur en oxygè ne accrue ont pu maintenir à la fois une excellente ré sistance à la traction et un excellent allongement.Le modè le de limite d'é lasticité a confirmé que la grande amé lioration provenait de la contribution du mé canisme de renforcement de la solution solide.Tous les modè les mé canistes ont é té validé s par des ré sultats expé rimentaux avec une grande pré cision.Cela prouve que la mé thodologie peut ê tre appliqué e à la fabrication de composants LWD Ti-6Al-4V qualifié s.

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