Etude expérimentale et numérique de la forgeabilité d’une préforme obtenue par fabrication additive Arc-Fil (WAAM)

La combinaison entre un procédé de fabrication additive et un procédé de mise en forme a déjà été étudiée. Ce sont les cas présentés par (Maurya et al. 2022; Meiners et al. 2020) dans le cadre des alliages de titane. L’étude du laminage circulaire de préforme fabriquées par WAAM (Michl, et al. 2020) a été conduite dans le cas d’aciers de construction. Dans ces cas, le procédé de fabrication additive a été utilisé pour sa capacité géométrique à produire des préformes proches de la forme finale visée. Le comportement en mise en forme à chaud du matériau déposé par le procédé WAAM doit être considéré dans la mesure où celui-ci n’a pas la structure corroyée conventionnelle en mise en forme. (Motallebi et al. 2022) ont rassemblé les données de la littérature concernant les propriétés à chaud d’alliages déposés par différents procédés de fabrication additive. Il s’agit, par exemple, de l’alliage Ti-6AL-4V déposé par EBM et SLM ou de l’inconel 718 par le procédé WAAM (Sujan et al. 2023). Le plus souvent, le matériau déposé a la même composition chimique que le matériau du substrat, évitant ainsi les phénomènes de dilution dans les zones de transition entre le substrat et la zone de dépôt. L’objectif visé dans ces études est un gain de matière (meilleure mise au mille) et une réduction des gammes de mise en forme.

Dans les travaux de thèse, présentés ici, l’idée est de considérer la forgeabilité d’une préforme bimétal obtenue par WAAM suivant les trois échelles décrites par (Wang et al. 2014). Par rapport aux principaux travaux de la littérature, le matériau déposé n’a pas une composition identique à celle du substrat. On considère la forgeabilité intrinsèque du matériau déposé mais également son interaction avec le substrat et l’aptitude à maitriser la répartition des matériaux et les sollicitations thermomécaniques au cours de l’opération de mise en forme. Cette dernière nécessite notamment de prendre en compte le comportement de l’interface et des zones de transition. Le travail envisagé considère la gamme de mise en forme complète avec, en particulier, la chauffe initiale qui va potentiellement par les phénomènes de diffusion faire évoluer la structure dans la zone de transition. Il s’agit donc bien de considérer la forgeabilité globale d’une ébauche bimétal obtenue par WAAM.

La mise en forme multi-matériaux comporte deux difficultés principales :

• Elle doit permettre d’obtenir une pièce finale avec la bonne répartition des matériaux tout en appliquant les sollicitations thermomécaniques nécessaires à la transformation de la structure métallurgique issue du WAAM.
• Dans le cas d’une préforme obtenue par WAAM, celle‑ci doit également pouvoir compenser les défauts inhérents au procédé, notamment les défauts de compacité et les inclusions. Elle présente en outre des ondulations et des variations géométriques de surface que l’opération suivante devra être en mesure d’absorber.

Pour la première difficulté, il est nécessaire de connaître le comportement en plasticité de la zone déposée. Celle-ci est toutefois hétérogène, conséquence de la superposition des cordons de soudage la constituant. En fonction des paramètres de soudage utilisés, on peut obtenir un agencement complexe de zones ayant subi des cycles thermiques très différents. Dans le cas d’utilisation de matériaux d’apport différents de celui du substrat, les phénomènes de dilution font que la composition chimique de la zone déposée est également hétérogène. Il s’agit donc à la fois de déterminer le comportement en plasticité de la zone déposée mais également de caractériser les évolutions de microstructures issues du procédé WAAM en fonction des sollicitations thermomécaniques appliquées.

Dans un souci d’apporter les difficultés progressivement, le couple de matériaux choisi sera un acier non allié et un acier faiblement ou fortement allié. Ceci permettra de modérer les différences de comportement en mise en forme et d’assurer une bonne compatibilité métallurgique lors de la fabrication additive WAAM.

Les travaux de thèse envisagés seront répartis suivant les trois tâches suivantes :

• T1 : Caractérisation du comportement (thermomécanique et métallurgique) intrinsèque à chaud du matériau déposé.
  • T1.1 Caractérisatin micro- et macro- structurale des zones déposées et de la zone de transition. Ceci se fera par la réalisation de murs suivant la méthode développée dans les travaux de (Bourlet et al. 2020).
  • T1.2 Caractérisatin du comportement plastique à chaud du matériau déposé

Dans ces murs seront extraits des échantillons qui permettront l’étude du comportement en plasticité à chaud du matériau déposé. Ceci sera effectué par des essais de mise en forme instrumentés suivant la méthodologie développée dans le laboratoire LCFC dans les travaux de (Venet et al. 2021) ou des essais sur plasto-dilatomètre. Les résultats attendus sont une modélisation du comportement rhéologique à chaud du matériau déposé et l’estimation de la limite de ductilité en fonction de la température.

• • T1.3 Identificatin et caractérisation des transformations au cours de la déformation.

Les échantillons feront l’objet d’analyses métallographiques pour identifier et réaliser une première caractérisation des transformations métallurgiques générées dans le matériau déposé au cours de sa mise en forme à chaud. Celles-ci seront réalisées par microscope optique et électronique à balayage. Elles seront couplées à des analyses de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X et/ou aux grands instruments (neutrons/synchrotron) pour des mesures en volume. L’objectif est d’obtenir une première estimation des sollicitations thermomécaniques nécessaires à la transformation complète de la structure initiale.

• T2 : Modélisation et simulation de la mise en forme d’une préforme bimétal obtenue par fabrication additive WAAM
  • T2.1 Cnception et mise en œuvre d’un essai de forgeage d’une préforme WAAM

Un essai de mise en forme bimétal sera conçu et mis en œuvre. La conception inclut la gamme de mise en forme, la géométrie initiale de la préforme (forme extérieure et répartition des matériaux) et la stratégie de dépôt WAAM pour son obtention.

• • T2.2 Mdélisation et simulation de la mise en forme d’une préforme bimétal

Cette tâche s’appuiera sur les résultats de la tâche T1 concernant en particulier la loi de comportement du matériau déposé. Une des difficultés de cette tâche consistera à prendre en compte numériquement le comportement de l’interface et de la zone de transition.

• • T2.3 Explitation de l’essai

La confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques permettra d’ajuster les paramètres de la simulation. Cette confrontation concernera la géométrie globale de la pièce, l’effort de mise en forme et la répartition des matériaux.

La caractérisation métallurgique des pièces bimétal obtenues permettra de valider, ou non, les résultats de la tâche T1. Elle permettra également d’observer la structure et d’enrichir la caractérisation des transformations métallurgiques, en particulier, dans la zone de transition entre le substrat et la zone déposée.

Dans cette partie du travail, pourra être abordée l’évolution des défauts du procédé WAAM, à savoir, les porosités et les inclusions. Il pourra en être de même pour les défauts en surface de pièce forgée (replis) issus de l’ondulation géométrique des zones déposée.

• T3 : Intégration des connaissances dans le processus de conception d’une gamme de mise en forme WAAM + Forgeage d’une pièce bimétal.

Il s’agit de synthétiser les connaissances et de formaliser la démarche de conception d’une pièce bimétal et de son processus de fabrication (WAAM + Forgeage). Cette tâche sera conduite dans le cas particulier de deux aciers.

Impact scientifique et retombés du projet

Ce projet de thèse fait suite aux travaux menés dans le laboratoire (LCFC) sur les procédés de fabrication additive (2 thèses), sur la mise en forme multi-matériaux (2 thèses) et sur l’évolution des structures métallurgiques et des défauts (porosité) en mise en forme (3 thèses). Il s’agit de mettre en œuvre les connaissances acquises et les méthodologies mises en place lors de ces travaux antérieurs dans le cadre d’une gamme de fabrication multi-procédés. Le projet de thèse s’appuie également sur l’expertise du LEM3 concernant la caractérisation métallurgique des matériaux aux différentes échelles.

Le LCFC développe des travaux de recherche avec les industriels potentiellement intéressés par la thématique développée dans ce projet. Ce sont des industriels du secteur de l’aéronautique ou de l’énergie. Pour mieux correspondre à leur problématique, les travaux pourront faire l’objet de développements ultérieurs dans le cas de couples de matériaux différents (Superalliages, alliages de titane, aciers inoxydables).

La valorisation de ces futurs travaux de recherche sera diverse : publications scientifiques dans des revues internationales spécialisées dans les procédés comme « Journal of Materials Processing Technology ». La diffusion des résultats pourra être effectuée au sein d’Arts et Métiers ou auprès de nos partenaires industriels, en particulier, les Centres Techniques comme l’Institut de Soudure ou le CETIM avec qui nous avons une convention cadre de collaboration (LAMFM) et avec qui nous avons déjà développé une partie des travaux antérieurs.

Références

Bourlet, C., Zimmer-Chevret, S., Pesci, R., Bigot, R., Robineau, A., & Scandella, F. (2020). Microstructure and mechanical properties of high strength steel deposits obtained by Wire-Arc Additive Manufacturing. Journal of Materials Processing Technology, 285, 116759.

Ettaqi, S., Langlois, L., & Bigot, R. (2008). Cobalt-based superalloy layers deposited on X38CrMoV5 steel base metal by explosion cladding process. Surface and Coatings Technology, 202(14), 3306-3315.

Maurya, A. K., Yeom, J. T., Kang, S. W., Park, C. H., Hong, J. K., & Reddy, N. S. (2022). Optimization of hybrid manufacturing process combining forging and wire-arc additive manufactured Ti-6Al-4V through hot deformation characterization. Journal of Alloys and Compounds, 894, 162453.

Meiners, F., Ihne, J., Jürgens, P., Hemes, S., Mathes, M., Sizova, I., ... & Weisheit, A. (2020). New hybrid manufacturing routes combining forging and additive manufacturing to efficiently produce high performance components from Ti-6Al-4V. Procedia Manufacturing, 47, 261-267.

Michl, D., Sydow, B., & Bambach, M. (2020). Ring rolling of pre-forms made by wire-arc additive manufacturing. Procedia Manufacturing, 47, 342-348.

Pondaven, C., Langlois, L., Erzar, B., & Bigot, R. (2021). Numerical and experimental simulation of shrinkage porosity closure during hot rolling of bars. 24th International Conference on Material Forming (ESAFORM2021), 14-16 april 2021, Liège, Belgium

Motallebi, R., Savaedi, Z., & Mirzadeh, H. (2022). Additive manufacturing–a review of hot deformation behavior and constitutive modeling of flow stress. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 26(3), 100992.

Sujan, G. K., Gazder, A. A., Awannegbe, E., Li, H., Pan, Z., Liang, D., & Alam, N. (2023). Hot deformation behavior and microstructural evolution of wire-arc additively fabricated Inconel 718 superalloy. Metallurgical and Materials Transactions A, 54(1), 226-240.

Venet, G., Baudouin, C., Pondaven, C., Bigot, R., & Balan, T. (2021). Parameter identification of 42CrMo4 steel hot forging plastic flow behaviour using industrial upsetting presses and finite element simulations. International Journal of Material Forming, 14(5), 929-945.

Wang, J., Langlois, L., Rafiq, M., Bigot, R., & Lu, H. (2014). Study of the hot forging of weld cladded work pieces using upsetting tests. Journal of Materials Processing Technology, 214(2), 365-379. 3.               Z. Wang, S. Zimmer-Chevret, F. Léonard, G. Abba, 2022, "Control of bead geometry using multiple model approach in wire-arc additive manufacturing (WAAM)", International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 122(7) pp 2939-2951

La thèse se déroulera sur le campus Arts et Métiers (ENSAM) de Metz (57) au LCFC et au LEM3.

Adresse : 4, Rue Augustin, 57070 METZ

Le candidat recherché doit être inscrit en Master 2, que ce soit en école d’ingénieur ou en cursus universitaire. Sa formation doit relever du génie mécanique ou des sciences des matériaux. Une expérience préalable dans un procédé de fabrication, acquise lors d’une formation ou d’un stage, serait appréciée.