LASER CLADDING FINITE ELEMENT MODELLING. Application to Ti6Al4V.

Abstract

Cette thèse de Master présente le développement d'un modèle numérique simulant l'utilisation du laser cladding comme technologie de réparation de pièces endommagées. Le modèle reproduit une étude expérimentale (article soumis) sur l'application du laser cladding à l'alliage Ti6Al4V menée par H.Paydas, A.Mertens, R.Carrus, J.Lecomte-Beckers and J.Tchoufang Tchuindjang et intitulée : "Laser cladding as a repair technology for Ti6Al4V alloy: in?uence of building strategy on micro-structure and hardness." Dans ce travail, seuls les phénomènes thermiques seront inté- grés au modèle, néanmoins, les modi?cations nécessaires pour transformer le modèle thermique réalisé en un modèle thermomécanique sont détaillées. Ce travail contient en outre un état de l'art, dans lequel les di?érents processus de fabrication additive seront introduits et comparés. Les propriétés de l'alliage de titane utilisé ainsi que le code élément ?ni LAGAMINE, utilisé dans le cadre de ce projet, seront aussi introduit. La conception du modèle est détaillé et comprend notamment : la conception du maillage, la mod- élisation de la source de chaleur, le détail des lois thermiques utilisées ainsi qu'une description des conditions limites appliquées. La calibration du modèle numérique est menée sur un modèle 3-D et basée sur les résultats expérimentaux de Paydas et al. La valeur du ?ux de chaleur absorbée par la matière est utilisée comme variable de calibration. Etant donné la puissance nominale du laser utilisé, fournie par le constructeur, la calibration mène à la détermination du coe?cient d'absorptivité β, rapport entre l'énergie absorbée par la pièce et l'énergie fournie par le laser. La valeur identi?ée après calibration est de 0,33. A?n de simpli?er l'utilisation du modèle et réduire le temps de calcul, un modèle 2-D a été développé et est utilisé pour l'analyse des résultats. Les simpli?cations engendrées par le passage du 3-D vers le 2-D sont répertoriées dans ce travail. Une série d'observations a été réalisée sur ce modèle 2-D, celles-ci comprennent : une étude de la distribution de température dans la pièce (spatialement et temporellement), une étude de la zone de fusion (melt-pool) ainsi qu'une analyse des ?ux de chaleur. L'in?uence des stratégies de construction et de préchau?age est aussi analysée. Les principaux enseignements tirés des résultats numériques sont synthétisés ci-dessous: La comparaison des deux stratégies de construction, constant track length (CTL) et de- creasing track length (DTL), montre une concentration de la zone de haute température au centre de la pièce pour la stratégie DTL. Une micro-structure de Widmanstätten est prédite numériquement en chaque point et pour les deux stratégies de constructions. Expérimentalement, la Widmanstätten est observée partout sauf aux extrémités du clad pour le cas DTL, ou une micro-structure de martensite est observée. Si on augmente la température de pré-chau?age, la température maximale observée aug- mente mais la vitesse de refroidissement et le gradient spatial de température diminuent. Par conséquent, le risque de ?ssures peut être réduit en augmentant la température de pré-chau?age. Pour tous les résultats, les pro?ls et formes obtenus sont cohérents avec les résultats expéri- mentaux mais les valeurs obtenues, particulièrement en ce qui concerne la température, sont surestimées par le modèle numérique. Les causes et solutions potentielles pour surmonter ce problème sont détaillées. Ce document constitue un premier pas vers le développement d'un modèle thermomécanique complet capable d'aider les industriels á mieux comprendre le procédé du laser cladding et, in ?ne permettre l'optimisation des paramètres de fonctionnement. Cela a?n de permettre la fabrication de pièces maitrisées, avec les propriétés recherchées. Ce modèle est en développement au département ArGEnCo de l'Université de Liège, sous la supervision de A-M. Habraken.