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.

Les alliages de titane β-métastables comme le Ti-10V-2Fe-3Al se substituent progressivement aux alliages α/β dans les applications aéronautiques du fait de leur résistance spécifique améliorée. Leurs microstructures d'emploi sont cependant complexes et multi-échelles, constituées d'une matrice β (de grains millimétriques) partiellement transformée en nodules primaires αp (micrométriques) et en lamelles secondaires αs (sub-micrométriques). Les propriétés finales peuvent être très sensibles aux variations locales de microstructures et sont souvent non maîtrisées lors du forgeage de pièces massives. De plus la matrice β qui représente ~40% du volume et qui a un comportement élastique et plastique fortement anisotrope, comme la phase α, complique la compréhension des mécanismes de déformation en jeu. Le premier objectif de cette thèse est de mettre en œuvre des techniques de caractérisation multi-échelles (la diffraction des neutrons, l'imagerie électronique couplée à l'analyse d'image et l'EBSD, la reconstruction des microtextures de haute température β/αp) pour analyser efficacement la microstructure/texture des constituants β/αp/αs et caractériser leurs hétérogénéités au sein de demi-produits et de pièces obtenues par matriçage. Les résultats permettent d'analyser la fragmentation des grains β en sous-grains, les macrozones αp, le maintien de relation d'orientation entre β/αp et l'organisation des lamelles αs en colonies ou paniers tressés, en pointant les différences de taille de domaines révélés par la cristallographie et l'imagerie standard. Le second objectif est d'appliquer cette méthodologie à l'analyse de facies de rupture d'éprouvettes présentant un comportement singulier (en traction ou en fatigue) pour caractériser les configurations microstructurales à l'origine de l'amorçage de fissures. Cette analyse a principalement été réalisée par polissage manuel du faciès couplé à des acquisitions EBSD mais également en exploitant le potentiel de l'imagerie 3D par MEB-FIB (Focus Ion Beam) et la technique TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) sur lame mince prélevée au niveau d'un site d'amorçage par FIB. Enfin, cette étude expérimentale a été complétée par une première approche en simulation micromécanique sur une microstructure modèle 100% β. L'objectif était d'évaluer l'influence de l’anisotropie élastique de la phase β sur la genèse de contraintes d'incompatibilités dans les régimes élastique et élasto-plastique. L'ensemble des résultats contribue à une meilleure compréhension des variations de propriétés mécaniques en lien avec la microstructure locale / The β-metastable titanium alloys such as Ti-10V-2Fe-3Al are gradually replacing α/β alloys in aeronautical applications thanks to their improved specific strength. However, their microstructures are complex and multi-scale, consisting of a β matrix (of millimetric grains) partially transformed into primary αp nodules (micrometric) and secondary αs lamellae (sub-micrometric). The final mechanical properties are very sensitive to local variations of the microstructure, which are not always fully controlled during forging of massive parts. Moreover, the β matrix, which represent 40% of the volume and whose elastic and plastic behavior is strongly anisotropic (like the α phase) complicates the understanding of the mechanisms of deformation. The first objective of this thesis was to efficiently characterize the microstructure/texture of the different constituents (β/αp/αs) and their heterogeneities within half-finished products and forged parts by using techniques of multi-scale characterization (neutron diffraction, electronic imaging coupled with image analysis and EBSD, reconstruction of high temperature microtextures β/αp). As a result the fragmentation of the β grains into subgrains, the αp macrozones, the destruction of the orientation relation between β/αp and the organization of the αs lamellae in colonies or basket weave was quantified and the differences in size of domains revealed by crystallography and by standard imaging were pointed out. The second objective is to apply this methodology to the analysis of fracture surfaces of samples exhibiting singular behavior (in tension or in fatigue) in order to characterize the microstructural configurations leading to early cracking. This analysis was mainly performed by manual polishing coupled with EBSD acquisitions but also by using 3D imaging by SEM-FIB (Focus Ion Beam) and TKD (Transmission Kikuchi Diffraction) technique on a thin foil FIB-extracted from the crack initiation site. Finally, this experimental study was completed by a micromechanical simulation on a 100% β model microstructure. The objective was to evaluate the influence of the elastic anisotropy of the β phase on the genesis of incompatibility stresses in the elastic and elasto-plastic regimes. The overall results contribute to a better understanding of the variations of mechanical properties related to the local microstructure

L'alliage de titane Ti555-3, qui commence à être utilisé dans le domaine aéronautique, soulève des difficultés spécifiques en usinage. Cette étude propose d'analyser l'usinabilité de cet alliage et de la comparer à un alliage de référence, le Ti-6Al-4V. Trois aspects ont été explorés. Des essais de coupe orthogonale instrumentés ont été réalisés avec examen de la morphologie des copeaux. Cette étude a permis d'entrevoir l'influence de différents paramètres de coupe sur les conditions d'usinage sur l'usinabilité du Ti555-3. Ainsi l'évolution des efforts de coupe, des températures dans la zone de coupe, la modification de la morphologie du copeau et les évolutions des contraintes résiduelles ont pu être mis en évidence. Des essais de comportement en cisaillement rapide ont permis de reproduire les observations faites sur l'usinage et de proposer l'identification de la loi de Johnson-Cook des matériaux que nous avons ensuite utilisés dans des simulations de formation de copeaux. Une étude sur l'usinage assisté jet d'eau haute pression (UAJEHP) a été menée à différentes vitesses de coupe et d'avance, avec assistance haute pression et à sec. Les copeaux obtenus ont été examinés géométriquement. Les contraintes résiduelles du matériau généré par l'UAJEHP ont été étudiées, leurs analyses ont permis de constater que cette technique réduit le niveau maximal des contraintes résiduelles superficielles. L'utilisation de l'usinage assisté Laser (UAL) permet d'accroitre de nombreux aspects de l'usinabilité des alliages de titane. Cette étude a permis de montrer une influence très significative du la puissance laser sur les efforts de coupe et sur l'intégrité de surface des pièces usinées.

Ce projet de doctorat est aux prises avec un problème de ruptures en fatigue de un alliage de titane aéronautique en raison de haute fréquence chargement. Matériel pour cette enquête a été prise de compresseur du moteur disque de l'avion réel. Essais de fatigue à ultrasons ont été réalisées jusqu'à dépasser la limite de 1010 cycles. Cette région de la durée de vie est connu comme Gigacycle ou fatigue très grand nombre de cycles. Ce projet de thèse montre pour la première fois les résultats des tests de fatigue sur l'lliage de titane aéronautique VT3-1 dans la région Gigacycle. Les propriétés de fatigue de l'alliage de titane ont été déterminées à 109 cycles pour les conditions de chargement différentes: traction-compression, tension-tension et de torsion. Mécanismes d'initiation des fissures typiques ont été identifiés et des défauts critiques de microstructure ont été trouvés. L'effet de l'anisotropie en raison de processus de fabrication sur les propriétés de fatigue de l'alliage de titane VT3-1 forgé a été étudiée. Une influence du processus de fabrication sur les propriétés de fatigue a également été étudiée par comparaison les résultats sur extrudé et forgé VT3-1 alliage de titane. La nouvelle machine de torsion à ultrasons a été conçu et installé pour la longue durée de vie (jusqu'à 1010 cycles) de tests de fatigue en rotation. Les premiers résultats sous la chargement en torsion ultrasons ont été obtenues pour l'alliage de titane réalisé par extrusion et technologies forgés. / This PhD project is dealing with a problem of fatigue failures of aeronautical titanium alloy due to high frequency loading. The material for investigation was taken from the real aircraft engine compressor disk. Ultrasonic fatigue tests were carried out up to outrun limit of 1010 cycles. This region of lifetime is known as Gigacycle or very high cycle fatigue. This PhD project shows for the first time the results of fatigue tests on the VT3-1 aeronautical titanium alloy in the Gigacycle region. The fatigue properties of the titanium alloy were determined at 109 cycles for different loading conditions: tension-compression, tension-tension and torsion loading. Typical crack initiation mechanisms were identified and critical defects of microstructure were found. The effect of anisotropy due to fabrication process on the fatigue properties of the forged VT3-1 titanium alloy was studied. An influence of technological process on fatigue properties was also studied by comparison the results on extruded and forged VT3-1 titanium alloy.The new ultrasonic torsion machine was designed and installed for the long life (up to 1010 cycles) fatigue tests under rotation. The first results under ultrasonic torsion loading were obtained for the titanium alloy made by extrusion and forged technologies.

Cette étude s’est focalisée sur l’influence d’une opération de fraisage sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue des pièces usinées en titane (Ti-6Al-4V). L’influence des paramètres géométriques tels que les angles de coupe et les rayons de bec sur la performance de l’outil à savoir la durée de vie de l’outil est analysée. Une deuxième partie est consacrée à l’influence des paramètres géométriques sur l’intégrité de surface définie par des facteurs tels que la topographie, les contraintes résiduelles, la dureté et la microstructure. Afin de déterminer la nature des contraintes résiduelles, une approche thermomécanique a été utilisée. Une relation entre les contraintes résiduelles et la dureté sous la surface usinée est établie. Une dernière partie est dédiée à la l’étude de la fatigue des pièces en titane usinées selon les différents paramètres géométriques. Une comparaison des limites d’endurance expérimentales et analytiques issue de la littérature a permis de déterminer les paramètres influents de l’intégrité de surface sur la performance en fatigue. Une analyse fractographique a révélé les phénomènes liés à l’usinage influençant la rupture du matériau. / This study is carried out on the influence of milling process on surface integrity and fatigue life of a titanium alloy (Ti-6Al-4V). Geometric parameters like cutting angles and nose radius are investigated. In the first part, the observation is focused on tool life. The second part is dedicated to the influence of geometric parameters on surface integrity which is defined by topography, residual stress, hardness and microstructure. To determine the nature of the residual stresses a thermomechanical approach is used. A relation between residual stress and hardness is established. The last part deals with the study of the fatigue of milled titanium samples. A comparison is made between experimental fatigue limit and analytical fatigue limit of a model from literature. With this comparison, the most influential factor of surface integrity on fatigue limit is determined. A fractography analysis reveals the phenomenon related to milling process which can influence the material rupture.

La problématique initiale part du constat que les échecs d’implants sont souvent causés par une inadéquation entre les propriétés élastiques de l’os et celles de l’implant. Aujourd’hui, ce problème de biocompatibilité mécanique suscite un intérêt croissant et a conduit au développement d’alliages de titane β-métastables qui possèdent un module d’élasticité faible, moitié moindre que celui de l’alliage Ti-6Al-4V classiquement utilisé dans les applications d’implantologie. De plus, les structures architecturées ou treillis font, elles aussi, l’objet d’intenses recherches dans le but de réduire le module d’élasticité et de maximiser la résistance. Leur mise en forme, avec une maîtrise précise de l’architecture, est possible grâce à la fabrication additive et les nombreuses possibilités qu’elle offre : liberté de design, gain matière, pièces complexes, customisation de masse... Ce travail de thèse porte sur la mise en œuvre de l’alliage de titane à bas module d’élasticité Ti-26Nb(%at.) par la technologie de fusion laser sur lit de poudres. Une stratégie d’élaboration in situ de ces alliages à partir de poudres élémentaires de Ti et de Nb est explorée, à la fois pour permettre d’éventuels ajustements de composition, et pour pallier au manque de disponibilité des alliages de titane sous forme de poudres. La démarche est réalisée avec deux morphologies de poudre, irrégulière et sphérique. Les effets des nombreux paramètres de ce procédé (puissance du laser, vitesse et stratégie de balayage...) sur l’homogénéité et la porosité des pièces élaborées sont quantifiés. Un alliage homogène peut être obtenu sous réserve de l’utilisation d’une densité d’énergie adaptée et d’une granulométrie de poudre tenant compte des températures de fusion respectives des éléments. La caractérisation de la microstructure met en évidence une texture marquée, dépendante de la stratégie de balayage. Les pièces élaborées présentent un bas module d’élasticité associé à une résistance mécanique élevée, avec une déformation élastique favorable par rapport à un alliage de référence coulé. Par ailleurs, un algorithme d’optimisation est développé et permet de contrôler les propriétés mécaniques d’une structure architecturée à partir de ses paramètres géométriques (rayon, longueur et orientation des poutres). La combinaison de cet alliage de titane à bas module d’élasticité et d’une structure architecturée développée à partir ce cet algorithme a été appliqué à une prothèse totale de hanche, qui a fait l’objet de simulations par éléments finis. L’évaluation du phénomène de stress-shielding montre que, comparativement à un modèle massif plus rigide, ce type de prothèse permet de réduire de façon significative la déviation des contraintes. En se rapprochant du modèle dit physiologique, cette prothèse peut être qualifiée de « biomimétique » sur le plan du comportement mécanique / The initial problematic arises from the fact that implant failure is often caused by a mismatch between the elastic properties of the bone and those of the implant. Nowadays, an increasing interest is given to this mechanical biocompatibility and led to the development of β-metastable titanium alloys that possess low Young’s modulus, about half that of the conventionally used Ti-6Al-4V alloy. Moreover, lattice structures are currently being the subject of many investigations with the aim of achieving low Young’s modulus and high strength. Their fabrication, with accurate control over the architecture, is made possible thanks to additive manufacturing processes and the several possibilities they offer: design freedom, reduced material usage rate, complex shapes, mass customisation... The present work focuses on the implementation of low modulus titanium alloy Ti-26Nb(at.%) by the means of selective laser melting. An in situ elaboration strategy, based on a mixture of elemental powders, is explored in order to allow potential composition adjustments and to overcome the unavailability of titanium alloy powders. The approach is carried out using two distinct powder morphologies, spherical and irregular. The effects of the numerous parameters of the process (laser power, speed, scanning strategy...) on homogeneity and porosity of the manufactured parts is quantified. A homogeneous alloy can be obtained subject to the use of suitable energy density levels and powder size distributions that take into account the respective fusion temperatures of both elements. Microstructure characterisation highlights a pronounced texture resulting from the scanning strategy. The elaborated samples display a low Young’s modulus associated with a high strength, and hence a favourable strength to elastic modulus ratio compared to the reference cast alloy. Furthermore, an optimization algorithm is developed and allows controlling the mechanical properties of a lattice structure with its geometrical parameters (radius, length and orientation of struts). The combined use of this low Young’s modulus titanium alloy with a lattice structure developed through this algorithm was applied to the design of a total hip prosthesis that was subjected to finite element simulations. Stress-shielding evaluation shows that, compared to a solid design, this kind of prosthesis permits to reduce stress-shielding significantly. By getting closer to a physiological model, this prosthesis can be qualified as “biomimetic” in terms of mechanical behaviour

La technologie laser est couramment utilisée dans les industries aéronautiques depuis les années 1980. La découpe au laser, comme étant un procédé d’enlèvement de matière, offre plus d’avantages que les procédés conventionnels de la découpe. Parmi les apports du laser, l’absence de contact mécanique avec le matériau à usiner, une limitation de contamination des matériaux et une production élevée due à une haute vitesse de coupe. Les alliages de titane et les composites intermétalliques à base de titane jouent un rôle important dans le domaine de la science et de l’ingénierie ainsi ils permettent de satisfaire les activités de fabrication avancée dans les industries aéronautiques. L’amélioration de ce procédé de fabrication est souhaitable pour augmenter les performances techniques et accentuer l’intérêt économique. Les travaux réalisés ont porté sur l’étude et l’analyse des effets des paramètres de l’usinage par faisceau laser sur l’intégrité de la surface en termes de qualité et morphologie de la surface usinée de plusieurs matériaux, tels que, le titane pur, les alliages de titaneTi-6Al-4V et Ti6242 et le composite intermétallique à base de titane afin d’optimiser les conditions de découpage par laser.La sélection des paramètres de coupe dans le processus d’usinage laser tels que la puissance du laser, la vitesse de coupe, la pression du gaz d’assistance est importante pour assurer l’exactitude de l’usinage et l’amélioration de la microstructure, la rugosité, la zone affectée thermiquement, la largeur de la saignée, la micro dureté et le taux d’enlèvement de matière, résultant des sollicitations mécaniques et thermiques subies durant les différentes étapes de production.Cette étude se base sur une approche empirique faisant intervenir la méthodologie des plans d’expériences (ANOVA, Taguchi), la technique de la logique floue et les méthodes de décision multicritères (FTOPSIS, GRA) pour définir d’une façon rationnelle les essais expérimentaux visant à optimiser les conditions de découpe au laser dans le but de maximiser la production en assurant une meilleure qualité de fabrication. / Laser technology has been widely used in the aeronautics industry since the 1980s. Laser cutting, as a material removal process, offers more advantages than conventional cutting processes. Among the contributions of the laser, the absence of mechanical contact with the material, a limitation of contamination of the materials and a high production due to a high cutting speed. Titanium alloys and titanium-based intermetallic composites have an important role in the field of science and engineering, making it possible to satisfy advanced manufacturing activities in the aerospace industries. Improvement of this manufacturing process is desirable to increase technical performance and economic interest. The present framework focused on study and analysis of the effects of laser beam machining parameters on the surface integrity in terms of quality and morphology of several materials, such as pure titanium, titanium alloysTi-6Al-4V and Ti6242 and the titanium-based intermetallic composite to optimize laser cutting conditions.Selection of cutting parameters in the laser machining process such as laser power, cutting speed, assist gas pressure is important to ensure machining accuracy and microstructure , roughness, heat affected zone, kerf width, microhardness and rate of removal of material improvement, resulting from the mechanical and thermal stresses undergone during the different stages of production.This study is based on an empirical approach involving the experimental design methodology (ANOVA, Taguchi), the fuzzy logic technique and the multicriteria decision methods (FTOPSIS, GRA) aiming at optimizing laser cutting conditions in order to maximize production by ensuring better manufacturing quality.