Grâce à leur géométrie spécifique, faite d'une superposition de couches unidirectionnelles de fibres continues, liées par des coutures plus ou moins complexes, les renforts NCF (Non-Crimp Fabric) possèdent une combinaison de propriétés intéressantes. Ces propriétés permettent l'utilisation de procédés de production tels que le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) et permettent l'utilisation des caractéristiques de rigidité élevée des fibres dans la pièce finale. Ainsi, ces renforts trouvent des applications dans différents secteurs de l'industrie des composites et notamment en aéronautique. Les couches, formées de fibres parallèles juxtaposées, sont liées par différents types de coutures. Ce lien conduit à des propriétés différentes de celles observées sur un renfort tissé où les mèches de chaîne et de trame sont liées par entrelacement. Par conséquent, la cinématique de déformation des renforts NCF secs lors de la mise en forme peut être différente. Dans ce travail de recherche, nous menons d'abord une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation se produisant lors de tests élémentaires et lors d'une expérience d'emboutissage. Plusieurs renforts NCF et un renfort interlock sont étudiés. Ensuite, nous introduisons un nouveau modèle pour la simulation de la mise en forme du renfort de composite NCF sec. Cette approche implique l'utilisation d'éléments finis lagrangien semi-discrets pour représenter les couches et d'éléments de barres pour représenter les coutures. Ce modèle nécessite un algorithme de contact spécifique pour gérer la relation entre les éléments finis. Une loi de frottement de Coulomb avec seuil de glissement est utilisée. Enfin, le modèle est validé par l'intermédiaire de l'essai de bias test puis la mise en forme sur un hémisphère est simulée et comparée à l'expérience.

The recent breakthroughs of Additive Manufacturing (AM) have shed light on the ever more versatile technologies this term encompasses. AM, popularly known as 3D printing, offers distinct benefits compared to traditional manufacturing, such as reduced design constraints, “complexity for free” and waste reduction. This “bottom-up” strategy differs from the more constraining “top-down” approach used in traditional manufacturing. Among the many AM processes developed for metals, Electron Beam Melting (EBM) and Selective Laser Melting (SLM) are powder-bed fusion processes allowing complex three-dimensional geometries to be produced from the selective melting of successive layers of metal powder. EBM and SLM are the two most widely used AM processes for the production of critical Ti-6Al-4V parts, particularly for the biomedical and aeronautic industries. Despite their many advantages, these technologies present severe limitations that remain to be addressed. These include the presence of build defects in the material and a high surface roughness, which is inherent to powder-bed fusion processes.Moreover, the microstructure of as-built EBM or SLM Ti-6Al-4V is far from being optimized. In order to improve the material properties of additively manufactured Ti-6Al-4V parts, postprocess treatments can be considered. This thesis aims at investigating the impact of such treatments on the microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V produced by EBM. After characterizing the microstructure, texture, and tensile properties of as-built Ti-6Al-4V, the effect of standard post-treatments, such as Hot Isostatic Pressing (HIP) and surface machining, are quantified on simple geometries. The interest of HIP is clearly demonstrated, especially when combined to improvement of the surface finish via machining. The removal of critical defects from both the bulk and the surface results in a substantial increase in ductility. Removal of the rough surface via machining also increases the mechanical efficiency of the parts. Regarding microstructural optimization, considering the impossibility of applying hot working on near-net shape parts as a major limitation, innovative heat treatments have to be specifically developed for additively manufactured Ti-6Al-4V. In this thesis, dual-phase alpha+alpha’ microstructures are generated, by performing subtransus annealing followed by water quenching. Depending on the annealing temperature, a broad range of mechanical properties are obtained. For annealing temperatures of 900 to 920°C, a simultaneous increase in ultimate tensile strength and ductility is achieved. The existence of a mechanical contrast between the soft alpha’ martensite and the harder alpha phase is clearly demonstrated and partly explains the remarkable work-hardening behaviour of this heterogeneous material. Further annealing of this out-of equilibrium alpha+alpha’ microstructure generates various microstructures. In the continuous process of martensite decomposition, precipitation hardening strengthens the alpha’ phase. Eventually, bimodal microstructures consisting in coarse primary alpha and fine secondary alpha+alpha' can be engineered, without involving any hot working in the process. Post-processing is also performed on more complex structures, namely additively manufactured lattices. Since machining cannot be performed on such intricate geometries, a chemical etching procedure inducing a substantial and homogeneous decrease in surface roughness is developed. Dissolution of surface defects results in an improvement of the mechanical efficiency of the structure. As a result, when chemical etching is performed, the relative stiffness approaches that of an ideal structure. Performing subtransus annealing and water quenching in order to induce a dual-phase alpha+alpha’ microstructure substantially increases the ability of these structures to absorb energy during compression. This thesis demonstrates the interest of developing post-process treatments specifically for near-net shape additively manufactured parts. Such treatments partially address critical issues of powder bed AM, expanding the range of possible applications of additively manufactured Ti-6Al-4V. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Grâce à leur géométrie spécifique, faite d’une superposition de couches unidirectionnelles de fibres continues, liées par des coutures plus ou moins complexes, les renforts NCF (Non-Crimp Fabric) possèdent une combinaison de propriétés intéressantes. Ces propriétés permettent l'utilisation de procédés de production tels que le procédé RTM (Resin Transfer Moulding) et permettent l’utilisation des caractéristiques de rigidité élevée des fibres dans la pièce finale. Ainsi, ces renforts trouvent des applications dans différents secteurs de l'industrie des composites et notamment en aéronautique. Les couches, formées de fibres parallèles juxtaposées, sont liées par différents types de coutures. Ce lien conduit à des propriétés différentes de celles observées sur un renfort tissé où les mèches de chaîne et de trame sont liées par entrelacement. Par conséquent, la cinématique de déformation des renforts NCF secs lors de la mise en forme peut être différente. Dans ce travail de recherche, nous menons d'abord une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation se produisant lors de tests élémentaires et lors d’une expérience d’emboutissage. Plusieurs renforts NCF et un renfort interlock sont étudiés. Ensuite, nous introduisons un nouveau modèle pour la simulation de la mise en forme du renfort de composite NCF sec. Cette approche implique l’utilisation d’éléments finis lagrangien semi-discrets pour représenter les couches et d’éléments de barres pour représenter les coutures. Ce modèle nécessite un algorithme de contact spécifique pour gérer la relation entre les éléments finis. Une loi de frottement de Coulomb avec seuil de glissement est utilisée. Enfin, le modèle est validé par l’intermédiaire de l’essai de bias test puis la mise en forme sur un hémisphère est simulée et comparée à l'expérience. / Due to their specific geometry, made of overlapping layers of unidirectional plies of continuous fibres, linked by more or less complex stitching, non-crimp fabric (NCF) reinforcements have advantageous combination of properties. These properties enable the use of process in production such as RTM process and allow the full use of stiffness characteristics of the fibres in the final part. Thus, these reinforcements find applications in different areas of composites industry. The plies of juxtaposed parallel fibres are bound by a tricot or a chain stitching with a lead. This link leads to different properties of the NCF compared to those of a woven reinforcement where the warp and weft yarns are linked by the interweaving. Therefore, deformation kinematics of dry NCF reinforcements might be different. In this research work, we first carry out an experimental study on deformation mechanisms occurring during elementary tests and a drawing experiment. Several non-crimp fabrics and an interlock fabric are studied. Then, we introduce a new model for the simulation of the dry composite reinforcement preforming. This approach involves a semi discrete Lagrangian finite element to represent the plies and a truss element to represent the stitching. This model requires a specific contact algorithm to handle the relation between the finite elements. A Coulomb law with a friction threshold is used. Finally, the model is validated using the bias extension test and the preforming on a hemisphere is simulated and compared to the experiment.

Dans le cadre du procédé de revêtement de surface Cold Spray, un modèle numérique d’impact de particule sur substrat à haute vitesse est créé, ainsi qu’une nouvelle interaction adhésive, dans le logiciel de dynamique explicite du CEA Europlexus. Le modèle utilise des Éléments Finis et la méthode sans maillage SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) avec la loi matériau de Johnson-Cook, couramment utilisée pour modéliser les métaux à des vitesses de déformation élevées et prenant en compte le durcissement plastique, le durcissement en vitesse de déformation, et l’assouplissement thermique. L’interaction adhésive est basée sur les modèles de zone cohésive de Dugdale-Barenblatt et Griffith, avec une limite sur la contrainte cohésive et la rupture de l’adhésion dictée par l’énergie dissipée. L’étude de cette interaction dans le cas des corps déformables à haute vitesse de déformation montre que le type de modèle cohésif utilisé impacte directement et de façon très prononcée les résultats du calcul. L’interaction adhésive est ensuite liée à un mécanisme physique connu pour être la raison majeure de l’adhésion entre métaux lors du procédé Cold Spray : l’instabilité en cisaillement à l’interface de contact (présente dans la simulation grâce à une loi d’endommagement). Pour ce faire, un critère d’activation de l’adhésion est créé, basé sur une chute de la valeur locale de limite élastique du matériau. Ce critère permet de retrouver le phénomène de vitesse critique nécessaire pour l’adhésion de la particule lors du procédé. Un critère de rupture de l’adhésion supplémentaire est ajouté, basé sur la valeur de l’endommagement dans les éléments collés, et permet de retrouver le phénomène de vitesse maximale pour l’adhésion de la particule. Le modèle complet, construit sur des principes physiques, est ainsi capable de simuler le phénomène d’adhésion Cold Spray. Des tests de dureté et images EBSD sont aussi présentés et comparés aux résultats numériques. / In the context of the Cold Spray process, a numerical model of a single particle impact is developed. The point of interest is the adhesion of the particle to the substrate, thus an adhesive interaction model is also created. The impact model uses the Smooth Particle Hydrodynamics and/or the Finite Elements methods, with a Johnson-Cook material law, commonly used for metals at high strain rates, which takes into account strain hardening, strain rate hardening and thermal softening. The adhesive interaction is a Griffith and Dugdale-Barenblatt cohesive model with energy dissipation and a limit on the cohesive stress. Using this model it is shown that in the case of fast dynamics and deformable bodies, not only the adhesion parameters but also the type of model has an influence on the results. The adhesion model is also, contrary to previous works, linked with an actual physical mechanism known to induce adhesion in Cold Spray: a shear stress instability at the interface. This is done by adding an activation criterion to the cohesive model. This criterion is defined as a local drop in yield strength on either element in contact. Only when this criterion is locally met are the cohesive stresses applied and cohesive energy dissipated. The result is the apparition of a critical velocity, under which adhesion cannot occur due to either not enough initial kinetic energy to create an instability at the interface, or not enough adhesive surface created to keep the particle from rebounding. For the model to localize and undergo shear banding/shear instability, a damage value is added to the material law. An erosion criterion is then implemented in the cohesive model to remove the cohesive stresses from highly damaged parts of the adhesive surface. This results at high impact speeds in a maximal velocity above which the interfacial material is too damaged to sustain adhesion and prevent the particle from rebounding. A deposition behavior similar to the Cold Spray process is then observed, with a range of low velocities without any adhesion of the particle, then a critical speed initiating a velocity range of adhesion of the particle, and finally a maximum speed above which the interface is too damaged to sustain the adhesion. A set of experimental observations is also carried out to better understand the actual microstructural dynamics and changes at the interface of 1 mm copper particles impacted on copper. The results are compared to simulations and the use of the macroscopic Johnson-Cook law at a microscopic level is validated.

In response to serious environmental and economic concerns, the design and production of aircrafts have been changing profoundly over the past decades with the nose-to-tail switch from metallic materials to lightweight composite materials such as carbon fibre reinforced plastic (CFRP). In this context, the present doctoral research work aimed to contribute to the development of a CFRP booster casing, a real innovation in the field initiated and conducted by Safran Aero Boosters. More specifically, this thesis addresses the matter of joining metal/CFRP hybrid structures, which are prone to possibly detrimental residual stresses.The issue is treated with an approach combining experimental characterisation and finite element (FE) simulations. The multi-layered system’s state of damage was systematically examined on hundreds of micrographs, and the outcome of this study is presented under the form of a statistical analysis. Further, the defects’ 3D morphology is investigated by incremental polishing. A number of thermal and mechanical properties are measured by diverse physical tests on part of the constituent materials, i.e. the aerospace grade RTM6 epoxy resin, the structural Redux 322 epoxy film adhesive, and AISI 316L stainless steel. They are used as input data in a FE model of the multilayer that is developed and progressively refined to obtain detailed residual stress fields after thermal loading. These results are compared to experimental data acquired by X-ray diffraction stress analysis and with the curvature-based Stoney formula. Cohesive elements are placed at specific locations within the FE model to allow simulating progressive damage. Peel tests, mode I, mode II and mixed mode I/II fracture tests are thus performed in view of measuring the joint toughness. The results of these tests are discussed and the presence of residual stress in the fracture specimens is highlighted. Key information for the calibration of the cohesive law is finally identified via inverse FE analysis of the mode I test, this being a significant step in the process of building a damage predictive FE model of the multi-layered system. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished