Compte tenu de leurs propriétés mécaniques spécifiques extrêmement intéressantes, les alliages de titane sont largement utilisés notamment pour des applications aéronautiques. Une des limitations concerne certains composants critiques des turbomachines pour lesquels un effet « dwell » est parfois constaté. Ce processus survient dans des conditions particulières combinant un chargement cyclique (fatigue) et statique (fluage) à une température proche de l’ambiante et peut conduire à une rupture prématurée. Bien que de nombreuses études aient permis de cerner le problème, son origine physique/mécanique demeure mal comprise.Les travaux réalisés, essentiellement expérimentaux, visent à analyser les mécanismes de déformation et d’endommagement, sous chargement dwell, à différentes échelles et en lien avec la microstructure métallurgique de l’alliage Ti6242 lamellaire considéré. Des configurations particulières de colonies de lamelles que l’on a nommé « plumes » ont été identifiées comme étant à l’origine de la rupture en dwell. Les caractéristiques morphologiques et cristallographiques correspondantes ont été analysées par différents moyens de microscopie optique et électronique. Un outil d’analyse d’images basé sur la transformée de Fourier rapide a été spécifiquement développé afin de repérer et de quantifier ces éléments à l’échelle de la pièce. Au-delà des campagnes d’essais mécaniques mettant en évidence les conséquences de l’effet dwell en termes de durée de vie, des essais in situ sous microscope réalisés en traction, fluage et dwell sur des « micro-éprouvettes » instrumentées ont permis de mieux comprendre les processus élémentaires de déformation associés aux plumes et conduisant à des hétérogénéités des champs de déformation favorables à l’amorçage de fissures. / Thanks to their extremely attractive specific mechanical properties, titanium alloys are widely used, especially for aerospace applications. However, a “dwell-effect” may sometimes be observed, reducing the lifetime of some critical jet engine components. This phenomenon occurs under specific conditions combining cyclic (fatigue) and static (creep) loading at near ambient temperature and can lead to an early failure. Though many studies have investigated this problem, its physical and mechanical origin remains poorly understood.The aim of the present work was to analyse the deformation and damage mechanisms under dwell loading at different scales, and in relation with the microstructure of a fully lamellar Ti6242 alloy. Particular arrangements of colonies, so-called “feather-like structures”, have been identified as the origin of the failure under dwell conditions. Their morphological and crystallographic characteristics have been analysed by various optical and scanning electron microscopy means. A dedicated image analysis tool based on the fast Fourier transform has been developed to localize and quantify the feather-like structures at the scale of a jet engine component. A mechanical testing campaign demonstrated the dwell-effects consequence on the lifetime until failure. Furthermore, tensile, creep and dwell tests have been carried out in situ under the microscope on “microsamples” bearing gauges. They enabled a better understanding of the elementary deformation processes associated to the feather-like structures and how these structures lead to strain field heterogeneities favouring crack initiation.

Le but de cette étude était de simuler par éléments finis la mise en forme à froid à et à chaud d'alliages de titane. Les alliages de titane ont une microstructure et un comportement complexes qui évoluent en fonction de la température, de la déformation, mais aussi de la vitesse de déformation, il est donc difficile de déterminer une loi de comportement fiable sur une large plage de sollicitations. Le choix d'une loi de comportement macroscopique élasto-viscoplastique thermodépendante est donc nécessaire pour représenter le procédé de formage à chaud dans une plage de température pertinente. Différentes lois de comportement répondaient aux besoins du projet, mais la loi de comportement d’Adinel Gavrus est la plus appropriée. Les résultats ont mis en évidence le fait que les alliages de titane TA6V et Ti6242 sont anisotropes à haute température et que l’anisotropie à chaud du TA6V et du Ti6242 peut être représentée à l’aide du critère de plasticité Hill48. Afin de déterminer le comportement mais aussi l’anisotropie du matériau, l’éprouvette doit être visible lors des essais de traction afin d’utiliser la corrélation d’image pour obtenir les champs de déformation locaux et ainsi obtenir l’évolution des coefficients d’anisotropie au cours de l’essai. Le procédé de chauffage par effet joule a été utilisé, la machine de traction a exigé de multiples modifications afin d’être isolée électriquement. Le chauffage par effet joule est finalement une solution efficace pour effectuer des essais de tractions à chaud tout en visualisant l’éprouvette. L’analyse inverse a permis d’utiliser les données d’entrée des essais de traction afin d’identifier les différents paramètres de la loi de comportement développée par Adinel Gavrus. D’autre part, la corrélation d’image couplée aux essais de traction a permis l’obtention des valeurs du critère d’anisotropie plastique de Hill48. La mesure des coefficients d’anisotropie a mis en exergue le fait que le critère de Hill48 était pertinent pour la modélisation du TA6V ainsi que du Ti6242 à haute température. La mise en forme du godet à fond plat ainsi que des pièces industrielles a permis d’avoir des cas concrets de mise en forme ainsi que d’identifier les problèmes récurrents dans la mise en forme de produits minces à chaud comme à froid. La modélisation de ces différents essais a été réalisée sous le logiciel FORGE®, la corrélation d’image 3D a pu être utilisée sur le cas de l’emboutissage à froid de godet à fond plat afin de comparer les valeurs de déformation. Néanmoins la corrélation d’image 3D n’est pas utilisable sur les cas d’emboutissage à chaud. Il a donc fallu utiliser un autre observable. Nous avons choisi pour cela la distribution d’épaisseur le long de différents profils de chaque pièce. Les résultats obtenus sont très positifs mettant en avant la pertinence de la simulation numérique. Nous avons ensuite étudié l’optimisation des processus de formage suivant différents angles. L’optimisation manuelle de la géométrie fut pertinente, à l’aide d’une modification simple de la géométrie initiale du flan, le procédé de formage a pu être réalisé en une passe au lieu de deux. L’analyse de sensibilité des paramètres de la loi de comportement a permis de mettre en avant l’importance des coefficients de la loi de comportement en plus de leurs impacts sur l’épaisseur minimale lors d’un essai d’emboutissage. La corrélation entre essai de traction et épaisseur minimale sur l’essai d’emboutissage n’a pas donné les résultats escomptés, les données d’entrée utilisées suite aux essais de traction n’étaient certainement pas suffisantes pour être corrélées à l’épaisseur minimale obtenue au cours d’un essai d’emboutissage. Enfin l’étude de la covariance des paramètres des lois de comportement a permis d’étudier en profondeur les surfaces de réponses issues de l’analyse inverse tout en mettant en évidence les impacts des minimums locaux et globaux lors de la minimisation de la fonction coût. / The purpose of this study was to simulate by finite element cold and hot forming in titanium alloys. Titanium alloys have a complex microstructure and behavior that change depending on the temperature, deformation, but also the strain rate, so it is difficult to determine a behavior law reliable over a wide range of loads. The choice of a macroscopic elastic-viscoplastic temperature dependent behavior law is necessary to represent the hot-forming process in a relevant temperature range. Different behavior laws met the needs of the project, but Adinel Gavrus behavior law is the most appropriate. The results showed that the titanium alloy Ti6Al4V and Ti6242 are anisotropic at high temperature and that the plasticity of Ti6Al4V and Ti6242 can be represented using the Hill48 yield criterion. To determine the behavior but also the anisotropy of the material, the specimen must be visible during tensile tests in order to use the image correlation in order to obtain local deformation fields and thus to obtain the evolution of the coefficients of anisotropy during the test. The method of heating by the Joule effect has been used, the traction machine required multiple modifications to be electrically insulated. The heating by the Joule effect is finally an effective solution for making hot tensile test while viewing the specimen. The inverse analysis allowed using the tensile test input data to identify the different parameters of the constitutive law developed by Adinel Gavrus. On the other hand, the image correlation coupled with tensile tests allowed obtaining the values of plastic anisotropy of specific Hill48. The measurement of anisotropy coefficients highlighted the fact that the test was relevant to Hill48 modeling Ti6Al4V and to the Ti6242 at high temperature. The forming of cup and industrial parts allowed having concrete cases of forming and identifying recurring problems in the hot or cold forming of thin products. Modeling these tests was carried out on the Forge® software, the 3D image correlation have been used to compare values with the case of cup drawing with cold deformation. Nevertheless the 3D image correlation was not used on the case of hot stamping. It was therefore necessary to use a different observable. We chose the thickness distribution along different profiles of each piece. The results are very positive, highlighting the relevance of numerical simulation. Then we studied the optimization of the following forming process different angles. The manual optimization of the geometry was relevant, with a simple modification of the initial geometry of the blank, the forming process could be achieved in one pass instead of two. The sensitivity analysis of the parameters of the constitutive law has helped to highlight the importance of the coefficients of the constitutive law in addition to their impact on the minimum thickness at a drawing test. The correlation between tensile test and minimum thickness on the test stamping has not yielded the expected results, the input data used following the tensile tests were certainly not sufficient to be correlated to the minimum thickness obtained during a drawing test. Finally the study of the behavior laws of covariance parameters allowed to study in depth the surface response resulting from the inverse analysis while highlighting the impacts of local and global minima during the minimization of the cost function.

Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées « portées ». Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements (« fretting ») sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500°C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire. / In the blade/ disk contact of aero-engines, movements induced by the engine regime changes may lead to critical wear. In order to limit friction and protect components, motorists usually use a thick and soft CuNiin layer (150 !-lm) covered with a lubricant. This system is subjected to high contact pressure (upto 600 MPa) and high temperatures (up to 500 °C). In service observations of engine parts revealed significant wear and transfer phenomena. An experimental layout was designed to perform fretting wear tests in temperature on a punch/plane contact, representative of engine solicitation. Based on the tribological study performed, specified gradation mechanisms were identified and the evidence of a pressure threshold was demonstrated. Physicochemical analyses performed confirmed the role played by environment (0, N ... ) in fretting wear mechanisms and suggest that the tribochemical effects should be considered in the fretting wear models. Direct comparisons between degradation mechanisms identified on the experimental system, and on industrial parts, allow a critical review of parameters chosen to simulate the contact. Finally, the impact of loading dynamics was investigated in order to improve tests representativity at la bora tory scale.

Viscoplasticity models allow for the prediction of the inelastic behavior of materials, taking into account the rate-dependence. In order to model the response under non-isothermal conditions experienced by many components, such as those in turbomachinery, however, it is necessary to incorporate temperature-dependence. Additionally, for materials subjected to thermal shock, temperature rate-dependence is also important. The purpose of this research is to develop a method of determining Chaboche viscoplasticity parameters that allows for consistent behavior with changing temperature. A quartet of candidate materials, 304 stainless steel, IN617, DS GTD-111, and Ti6242S, were chosen for their applications in turbomachinery, such as gas turbines, nuclear, and aerospace applications. The focus of this research is geared towards establishing the temperature-dependence of the constants used in the model in order to obtain more accurate modeling of non-isothermal fatigue loadings than those achieved through linear interpolation of constants at several temperatures. The goal is to be able to more accurately predict the deformation behavior of components subjected to cyclic temperature and mechanical loadings which will ultimately allow for more accurate life prediction. The effects of orientation in directionally solidified (DS) materials is also examined in order to gain insight as to the expected behavior of parameters with changing orientation.

Lors du fonctionnement d'un turboréacteur, la rotation de l'axe du moteur induit une force centrifuge qui plaque les aubes contre les alvéoles du disque, le long de surfaces appelées " portées ". Au cours de la vie du moteur, des micro-glissements (" fretting ") sont générés au niveau des portées. Ce travail de thèse s'intéresse aux endommagements de type oligocyclique des portées aube/ disque du compresseur Haute Pression (HP) d'un turboréacteur civil. Afin de réduire le frottement et de protéger les pièces, les portées des aubes sont revêtues d'un dépôt épais de CuNiln sur lequel est appliqué un lubrifiant solide. Le système est soumis à des pressions fortes (600MPa) et à des températures élevées (500°C). Des expertises sur pièces ont permis d'identifier des usures importantes et des phénomènes de transfert. Pour simuler expérimentalement le contact, un moyen d'essai de fretting usure en température a été développé dans le cadre de cette thèse. A partir d'une géométrie de contact échelle 1 simplifiée, choisie pour représenter les champs de chargement moteur, le domaine des sollicitations a été balayé et les comportements tribologiques identifiés et caractérisés. L'étude tribologique a permis de mettre en évidence l'influence forte de la force normale sur les mécanismes d'endommagements, dont les scénarios de mise en place ont pu être explicités pour les deux domaines majeurs de sollicitations. Dans un deuxième temps, les endommagements ont été étudiés d'un point de vue physicochimique et le rôle tribochimique joué par les éléments environnementaux (0, N ... ) a été mis en évidence. Pour finir, la comparaison directe des mécanismes identifiés sur banc expérimental et sur le système industriel a permis d'aborder, d'un point de vue critique, l'importance des paramètres choisis pour les équivalences expérience / système industriel ; et de la dynamique de chargement pour garantir la représentativité d'un essai à l'échelle laboratoire.

The use and knowledge of additive manufacturing technologies are rapidly growing. It is crucial to understand the processing-structure-property relationship, which is highly discussed when trying to understand the science of a material. One commonly used material in aerospace applications is titanium alloy, lately Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242). This work is addressed towards a laser metal deposition wire (LMD-w) manufactured Ti-6242 built on a Ti-6Al-4V (Ti-64) base plate.  The microstructure of titanium alloys, like all other alloys, are highly dependent on its thermal history. It is crucial to understand the microstructural change in order to optimize the material properties. The prediction of microstructure through simulation can be improved by obtaining experimental input. Since the microstructure of an LMD-w manufactured component is different from the subtractive manufactured, the change from heat treatments are different considering the different start structures. It is therefore of interest to analyse isothermal heat treatments effect on solution heat treated microstructure of LMD-w Ti-6242, from an industrial application point of view. The objective of this work is to analyse the effect of isothermal heat treatment on microstructural changes for LMD-w Ti-6242 wall.  The as received state was solution heat treated according to GKN standard, isothermal treatments were additionally performed and the change was analysed with microstructural characterization. The prior beta grain size, alpha lath thickness, phase fraction and hardness have been measured. Focus has been on the Ti-6242 wall for the measurements of alpha lath thickness and phase fraction. However, an analysis of the interface and heat affected zone (HAZ) has been made as well. MIPAR, an image analysis program was used for alpha lath thickness and phase distribution measurements. It has been concluded that the hardness of the material increases with increasing isothermal temperature during heat treatment and that the lath thickness increases with longer holding time. An equilibrium diagram has been obtained for Ti-6242 from a solution heat treated microstructure of LMD-w between the temperatures of 700°C and 1000°C and a time-temperature-transformation diagram (TTT-diagram), in the range of 700°C-1000°C and a holding time from 30 seconds to 2 hours. / Efterfrågan av samt kunskapen om additiva tillverkningsmetoder ökar kraftigt. Det är därför av stort intresse att förstå relationen mellan process-struktur-egenskaper, vilket ofta diskuteras för att förstå vetenskapen bakom ett material. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242) har under den senaste tiden väckt stort ett intresse inom flygindustrin. I detta arbete har fokus lagts på laser metal deposition wire (LMD-w) tillverkat material bestående av en Ti-6242 vägg på en Ti-64 basplatta.  Titanlegeringars mikrostruktur är känslig mot den termiska historiken inom materialet. Det är därför av stort intresse att förstå hur mikrostrukturen ändras för att kunna optimera materialet. Förutberäkning genom simulering av mikrostrukturens förändring kan förbättras med hjälp av experimental indata. Eftersom mikrostrukturen av en LMD-w tillverkad komponent är annorlunda från traditionella tillverkningsmetoder, kommer förändringen av mikrostrukturen från värmebehandlingar vara olika, eftersom ursprungsstrukturen inte är densamma. Därför är det av intresse att analysera isotermiska värmebehandlingars påverkan på en upplösningsbehandlad mikrostruktur tillverkad med LMD-w, från en industriell synpunkt. Målet med detta arbete är att analysera effekten av isotermisk värmebehandling på mikrostrukturen av en LMD-w Ti-6242 vägg.  Startmaterialet bestod av ett upplösningsbehandlat tillstånd enligt GKN standard, isotermiska värmebehandlingar gjordes och förändringen analyserades genom mikrostrukturkarakterisering. Primära beta korn, alfaband, fasfraktion och hårdhet har mätts. Fokus har legat i Ti-6242 väggens mätningar av alfaband och fasfraktion, dock har en analys av den värmebehandlade zonen (HAZ) i basplattan gjorts. MIPAR, ett bildanalysprogram, har använts för att mäta alfaband och fasdistribution.  Det kan konstateras att hårdheten av materialet ökar med ökande isotermisk temperatur under värmebehandling, och att alfabandens tjocklek ökar med längre hålltider. Ett jämnviktsdiagram har framtagits för upplösningsbehandlad Ti-6242 LMD-w mellan temperaturerna 700°C och 1000°C. Ett tid-temperatur-transformations diagram (TTT-diagram) inom intervallet av 700°C-1000°C och från 30 sekunder till 2 timmar.