L'optimisation de la durée de vie des disques de turbines conçus en superalliage à base de nickel, tel que l'Inconel 718 DA, constitue une vraie problématique industrielle. En effet, lors d'essais de fatigue oligocyclique à chaud sur des éprouvettes prélevées sur ces disques, il a été constaté que la durée de vie dépendait de la zone de prélèvement testée. Cette dispersion inattendue des résultats s'avère être un facteur très important d'un point de vue industriel car le dimensionnement des pièces étant conservatif, il est établi à partir des valeurs de durée de vie les plus faibles ce qui conduit à une pénalisation forte en termes de performance du point de vue de la conception. Le but de cette étude est donc d'expliciter la relation entre les paramètres de forgeage, les propriétés microstructurales et donc les durées de vie afin de proposer des pistes pour réduire la dispersion des résultats de fatigue pour optimiser ainsi le dimensionnement des structures. Dans un premier temps, l'étude de l'effet des paramètres de forgeage a été réalisée grâce au logiciel Forge2®. Cette étape a permis de mettre en évidence les paramètres de forgeage influant sur la microstructure et de définir des gammes de forgeage sur des lopins expérimentaux. Les mécanismes d'initiation et les modes d'endommagement ont été identifiés pour chaque microstructure de l'alliage. Il s'avère que, dans le cas des matériaux testés, deux mécanismes d'amorçage sont observés : un amorçage sur particule interne avec formation de « fish-eye » et un amorçage sur grain sub-surfacique. Une corrélation directe avec la microstructure et le domaine de durée de vie a pu être établie. L'effet du rapport entre la queue de distribution de taille de grains et la taille des particules a pu être mis en évidence, ainsi que la nocivité de la présence de joints Σ3 dans des gros grains. / Optimization of turbine discs in superalloy Nickel based durability is a real industrial challenge. The different regions of a wrought Inconel 718 DA superalloy turbine disk may present a wide range of behavior in fatigue life due to the variability of the microstructure. To improve the fatigue dimensioning, it is necessary to understand the relation between the forging parameters, the microstructure and the fatigue behavior. Firstly, the effect of the forging parameters on the microstructure was realized thanks to simulation calculation via Forge2® and experimental forging were realized. Secondly, fatigue tests under strain control conditions were performed at 450°C for all microstructures. Initiation mechanisms and fracture behavior are identified for each microstructure of this superalloy. Grain size and phases distributions were characterized in the specimens and related to fatigue failure initiation modes. The 3D distribution of the Titanium nitrides was also investigated using synchrotron laminography both in terms of size and spatial distribution. Fatigue crack initiation was seen to occur on large grains in stage I for the larger grain material whereas for the material with slightly smaller grains initiation from internal nitrides caused failure via so-called fish-eye cracks. A relation between the microstructure heterogeneities and the durability is established. Indeed, the initiation mechanism, which depends on the grain size distribution compare to the particles size, impacts the durability. The presence of Σ3 boundaries in large grains proves to be harmful.

L’usage des outils de modélisation numérique dans la simulation des différents procédés de mise en forme est, de nos jours, un incontournable. L’industrie du forgeage, avec des logiciels de calcul et simulation très avancés tels que Forge ou Abaqus utilisés dans de nombreuses études et thèses, est en mesure d’assurer un bon contrôle des paramètres (paramètres procédé et paramètres matériau), ce qui permet la production de pièces de haute qualité, à géométrie complexe et très compétitives. La simulation numérique avec l’aide de méthodes appropriées comme ALE (Arbitrairement Eulérien Lagrangien) et SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) qui seront abordées dans le rapport, permet de réduire considérablement le temps et les coûts grâce aux procédés d’optimisation et de prototypage virtuel. Avec l’intégration des lois de comportement adaptées pour chaque cas dans les processus de mise en forme et le contrôle des paramètres du procédé, la simulation offre des résultats d’une grande précision pour des procédés tels que l’usinage et le forgeage, qui fait l’objet de notre étude. En partenariat avec Héroux-Devtek, notre travail porte sur la simulation de la mise en forme d’une composante d’un train d’atterrissage d’avion en aluminium par forgeage à chaud à matrices fermées. Cette étude nécessite une bonne compréhension de la cinématique des outils et des propriétés du matériau avant et lors de la mise en forme. Pour cela, une étude paramétrique pour vérifier l’importance de chaque paramètre sur les résultats finaux sera effectuée. Les logiciels de simulation utilisés sont Abaqus explicite et Ls-dyna. Les différentes analyses effectuées dans cette étude ont permis de développer une méthodologie d’analyse ainsi qu’une première bonne approximation de la mise en forme de la composante du train d’atterrissage et d’identifier les paramètres permettant de mieux contrôler le procédé et d’améliorer les résultats de simulation. Mots-clés : Forgeage à chaud, ALE, SPH, MEF, aluminium, train d’atterrissage / The use of numerical modeling tools in the simulation of different methods of forming is nowadays a must. The forging industry, thanks to advanced calculation and simulation softwares such as Forge or Abaqus used in many studies and theses, can take advantage of good control settings (process and material parameters) that enable the production of high quality pieces, with complex geometry and highly competitive. Numerical simulation with the help of appropriate methods as ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) that will be addressed in the report , can significantly reduce the time and costs through process optimization and virtual prototyping. With the integration of material laws adapted for each case during the forming process and the control of process parameters, simulation results are highly accurate for processes such as machining and forging, which is the subject of our study. In partnership with Héroux-Devtek, our work focuses on the simulation of the manufacturing of an aircraft landing gear component in aluminum by hot closed-die forging. This study requires a good understanding of the kinematics of tools, and material properties before and during the forming process. Thus, a parametric study to test the importance of each parameter on the final results will be done. Simulation softwares that will be used are Abaqus explicit and Ls-dyna. The analyses conducted in this study were used to develop an analysis methodology, to find a good first approximation of the forging simulation of the component of the landing gear and to identify parameters that allow for better simulation results. Keywords: Hot forging, ALE, SPH, FEM, aluminum, landing gear

Cette thèse porte sur le développement d’une méthode multigrilles parallèle visant à réduire les temps de calculs des simulations éléments finis dans le domaine de la mise en forme de pièces forgées en 3D. Ces applications utilisent une méthode implicite, caractérisées par une formulation mixte en vitesse/pression et une gestion du contact par pénalisation. Elles impliquent de grandes déformations qui rendent nécessaires des remaillages fréquents sur les maillages tétraédriques non structurés utilisés. La méthode multigrilles développée suit une approche hybride, se basant sur une construction géométrique des niveaux grossiers par déraffinement de maillage non emboîtés et sur une construction algébrique des systèmes linéaires intermédiaires et grossiers. Un comportement asymptotique quasi-linéaire et une bonne efficacité parallèle sont attendus afin de permettre la réalisation de simulations à grand nombre de degrés de liberté dans des temps plus raisonnables qu’aujourd’hui. Pour cela, l’algorithme de déraffinement de maillages est compatible avec le calcul parallèle, ainsi que les opérateurs permettant les transferts de champs entre les différents niveaux de maillages partitionnés. Les spécificités des problèmes à traiter ont mené à la sélection d'un lisseur plus complexe que ceux utilisés plus fréquemment dans la littérature. Sur la grille la plus grossière, une méthode de résolution directe est utilisée, en séquentiel comme en calcul parallèle. La méthode multigrilles est utilisée en tant que préconditionneur d’une méthode de résidu conjugué et a été intégrée au logiciel FORGE NxT et montre un comportement asymptotique et une efficacité parallèle proches de l’optimal. Le déraffinement automatique de maillages permet une compatibilité avec les remaillages fréquents et permet à la méthode multigrilles de simuler un procédé du début à la fin. Les temps de calculs sont significativement réduits, même sur des simulations avec des écoulements particuliers, sur lesquelles la méthode multigrilles ne peut être utilisée de manière optimale. Cette robustesse permet, par exemple, de réduire de 4,5 à 2,5 jours le temps de simulation d’un procédé. / A parallel multigrid method is developed to reduce large computational costs involved by the finite element simulation of 3D metal forming applications. These applications are characterized by a mixed velocity/pressure implicit formulation with a penalty formulation to enforce contact and lead to large deformations, handled by frequent remeshings of unstructured meshes of tetrahedral. The developed multigrid method follows a hybrid approach where the different levels of non-nested meshes are geometrically constructed by mesh coarsening, while the linear systems of the intermediate and coarse levels result from the algebraic approach. A close to linear asymptotical behavior is expected along with parallel efficiency in order to allow simulations with large number of degrees of freedom under reasonable computation times. These objectives lead to a parallel mesh coarsening algorithm and parallel transfer operators allowing fields transfer between the different levels of partitioned meshes. Physical specificities of metal forming applications lead to select a more complex multigrid smoother than those classically used in literature. A direct resolution method is used on the coarsest mesh, in sequential and in parallel computing. The developed multigrid method is used as a preconditioner for a Conjugate Residual algorithm within FORGE NxT software and shows an asymptotical behavior and a parallel efficiency close to optimal. The automatic mesh coarsening algorithm enables compatibility with frequent remeshings and allows the simulation of a forging process from beginning to end with the multigrid method. Computation times are significantly reduced, even on simulations with particular material flows on which the multigrid method is not optimal. This robustness allows, for instance, reducing from 4.5 to 2.5 days the computation of a forging process.

Le forgeage multi-matériaux est un procédé permettant la mise en forme et l’assemblage simultanés de matériaux différents. Ce procédé permet d’obtenir des pièces multi-matériaux avec le « bon matériau placé au bon endroit ». L’objectif des travaux de thèse est de définir les conditions nécessaires à l’établissement de la liaison métallurgique par forgeage à l’interface d’un couple d’aciers. Dans un premier temps, l’état de l’art a servi à l’identification les phénomènes physiques accompagnant le forgeage multi-matériaux et les paramètres clés pilotant l’établissement de la liaison métallurgique. Le principe de base de l’établissement d’une liaison passe par la fragmentation des oxydes en surface des matériaux et par l’application d’une pression de contact favorisant le contact entre les matériaux nus et la diffusion. Les deux paramètres clés identifiés sont donc la pression normale de contact et l’expansion de surface. Le protocole de caractérisation du co-forgeage mis en place comporte trois essais « simples » permettant de solliciter les interfaces avec des pressions et des expansions différentes. Ces dernières, estimées par simulation numérique de l’essai, sont mises en relation avec la qualité des liaisons obtenues évaluée, quant à elle, au travers d’observations métallographiques. Les premières simulations permettent de dimensionner les campagnes expérimentales. Celles-ci sont ensuite conduites sur les moyens de mise en forme de la plateforme VULCAIN. Les efforts de mise en forme et la géométrie globale des pièces et la répartition de matière servent de base à l’identification des paramètres de la simulation. La simulation ainsi obtenue et les observations métallographiques aux interfaces sont ensuite mises en lien. Cette démarche a permis de confirmer l’importance du rôle joué par la pression de contact et l’expansion de surface sur l’établissement d’une liaison au cours de la mise en forme du multi-matériaux. La répartition et la forme des particules d’oxydes semblent liées au chemin thermomécanique subi par l’interface. / The multi-material forging is a forming process allowing, simultaneously, the welding and shaping of multi-material parts with the right material at the right place. The purpose of the presented work is to identify the necessary conditions to obtain a metallurgical bond during forming between two different grades of steel. First, the state of the art allowed the identification of the physical phenomena occurring during multi-material forging and the determination of the key parameters of the bonding which are the contact pressure and the surface expansion at the both sides of the interface. The mechanisms to establish metallurgical bond by forging are based on the breaking and the dispersion of the oxide layer at the interface then the extrusion of the soft material through the voids generated between the oxide fragments. Second, the characterization methodology of this work is presented. It consists of three “simple” forming tests leading to different interface conditions (contact pressure and surface expansion). The first simulations allow the design of the experimental plan for each test. The comparison between simulations and experiments allows the identification of physical parameters of the simulation. Then, the contact pressure and the surface expansion of the identified simulations are used to analyze the metallographic structure and the bonding at the interface.The developed work confirms the major effect of the contact pressure and the surface expansion on the establishment of a metallurgical bond during multi-material forming. The size and the shape of the oxide particles seem to depend on the thermomechanical path at the interface.

Ce travail de thèse a pour but l'optimisation de forme en forgeage 3D. Les problèmes à résoudre consistent à chercher la forme optimale du lopin initial ou des outils de préforme afin de minimiser une fonction coût F qui représente une mesure de non-qualité définie par les industriels. Ce sont souvent des problèmes multi optima, et le temps nécessaire pour une évaluation de la fonction coût est très élevé (de l'ordre de la journée). L'objectif de cette thèse est de construire un module d'optimisation automatique qui permet de localiser l'extremum global à un coût raisonnable (moins de 50 calculs de la fonction coût à chaque optimisation). La simulation du procédé est effectuée avec le logiciel éléments finis FORGE3®. Les formes axisymétrique des pièces initiales ou des outils de préforme (dans le cadre du forgeage multi-passes) sont paramétrées en utilisant des polygônes quadratiques ou des courbes Bsplines. Différentes fonctions coûts sont considérées, comme l'énergie totale de forgeage ou la mesure non-qualité de la surface (défaut de repli). Le gradient de ces fonctions coûts est obtenu par la méthode de l'Etat Adjoint combinée avec la méthode de différentiation semi-analytique. Dans ce travail, afin d'aborder une famille de procédés de forgeage plus vaste, ce calcul du gradient (initié dans la thèse de M. Laroussi) a été étendu aux paramètres de forme des outils de préformes dans le cadre du forgeage multi passes.Différents algorithmes d'optimisation ont été étudiés : un algorithme BFGS standard, un algorithme de type asymptotes mobiles, une stratégie d'évolution couplée avec une surface de réponse basée sur le Krigeage et deux nouveaux algorithmes hybrides proposés dans le cadre de ce travail. Cette approche hybride consiste à coupler un algorithme génétique avec une méthode de surface de réponse pour réduire le nombre d'évaluations de la fonction coût. Tous les algorithmes étudiés sont comparés sur deux problèmes caractéristiques de forgeage 3D, respectivement l'optimisation de la géométrie de la préforme et celle des outils de préforme. Les résultats obtenus montrent la faisabilité de l'optimisation de forme en forgeage 3D, c'est-à-dire l'obtention de résultats satisfaisant en moins de 50 simulations 3D et la robustesse des algorithmes à base de méta-modèle.

Le second chapitre introduit les différents couplages présents dans une analyse mécanique thermique métallurgique. Il rappelle ensuite les notions de métallurgie nécessaires à la compréhension de ce travail. Le troisième chapitre décrit la modélisation adoptée pour l'analyse thermique métallurgique non couplée au problème mécanique. Le modèle choisi est celui de FERNANDES (CP30). Le code développé par ce dernier était limité à l'étude de cylindres infiniment longs, c'est-à-dire à un problème unidimensionnel. L'intégration de ce modèle, dans le code LAGAMINE apporte une grande liberté quant aux formes géométriques traitées. Actuellement, les cas bidimensionnels (état plan ou axisymétrique) peuvent être traités, une extension aux cas tridimensionnels ne pose pas de problème si ce n'est celui des temps de calcul. Du point de vue théorique, nous avons proposé une formulation différentielle de la modélisation des transformations par diffusion. Cette approche, indépendante de celle de SJOSTROM (CP38) a permis de vérifier cette dernière par une voie différente. En outre, la comparaison de cette approche avec celle plus classique de FERNANDES constitue un élément nouveau intéressant. Pour terminer, des tests de validation des développements correspondants dans le code LAGAMINE sont présentés. Le chapitre quatre est consacré aux problèmes numériques à résoudre pour réaliser une simulation de refroidissement d'une pièce métallique. Une bibliographie des schémas d'intégration temporelle des problèmes thermiques linéaires et non linéaires est présentée. A ce niveau, nous ne pouvons parler de contribution originale puisqu'il s'agit de schémas devenus classiques. Cependant, il est assez rare de trouver un résumé de ces notions souvent dispersées dans de nombreux articles. A ce titre, nous considérons ce point comme un apport intéressant de cette thèse. La prise en compte des changements de phase a occasionné un grand nombre de recherches. Après avoir fait le point sur les méthodes proposées par la littérature, nous décrivons les développements introduits dans le code LAGAMINE. Le calcul des flux et de la matrice tangente est détaillé. Ce dernier point constitue un apport personnel original, surtout au niveau de la contribution des transformations de phase à la matrice tangente. Le chapitre cinq est consacré aux interactions existant entre les phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques. Une présentation approfondie de chaque couplage est réalisée et la notion de plasticité de transformation est introduite. Notre contribution personnelle et originale réside dans :  une loi élasto-plastique thermique couplée pour un matériau monophasique,  une loi élasto-plastique thermique métallurgique pour un matériau multiphasique. L'intégration des lois élasto-plastiques thermiques, métallurgiques ou non, dans le code LA GAMINE constitue le chapitre six. Les points suivants constituent un apport original de cette thèse:  schéma d'intégration temporelle de base pour ces lois couplées,  apport des sous-intervalles d'intégration,  étude de la matrice tangente couplée d'un élément isoparamétrique à 8 nuds,  amélioration du schéma d'intégration temporelle de base pour assurer la stabilité en cas de transformation martensitique,  développement de la notion d'état plan généralisé pour l'étude du refroidissement d'une poutrelle métallique. Le chapitre sept présente le problème du remaillage. Après une description succincte des solutions proposées par la littérature, nous justifions notre choix d'un remaillage avec maillage indépendant. Ce dernier semble en effet le mieux adapté aux problèmes de forgeage et d'estampage que nous désirons résoudre. Le chapitre huit est consacré à la détermination de l'instant opportun pour réaliser un remaillage. Nous distinguerons deux types de critères: a. les critères avec estimation de l'erreur, développés dans le cadre de l'optimisation des maillages d'éléments finis lors d'une analyse linéaire, ou adaptés aux problèmes non linéaires de formage des métaux, b. les critères sans estimation de l'erreur, basés sur des mesures de distorsion des éléments, les valeurs propres, les mesures des interpénétrations de la pièce forgée et de la matrice. Concernant les critères du type a, notre contribution personnelle est la suivante:  étude bibliographique traduisant dans un vocabulaire d'ingénieur, les développements mathématiques souvent présents lors des études d'estimateurs d'erreur,  adaptation du critère proposé par ZIENKIEWICZ aux lois élastoviscoplastiques présentes dans LAGAMINE et essai d'une variante basée sur une idée personnelle. Concernant les critères de type b, nous proposons des mesures de distorsions originales pour un élément isoparamétrique plan à 8 nuds et nous présentons une analyse des valeurs propres de la matrice tangente. Pour terminer, nous présentons une comparaison des critères de type a et b programmés dans LAGAMINE. A notre connaissance, une telle comparaison n'avait encore jamais été réalisée. Elle nous permet de vérifier la concordance des deux approches. Les avantages et inconvénients de chacune de ces méthodes sont établis. Ils permettent de réaliser un choix des critères à conserver dans l'optique d'un remaillage automatique. Le chapitre neuf présente succinctement la création du nouveau maillage. Les exigences relatives à un mailleur automatique adapté au problème de remaillage sont précisées. Une première approche fut réalisée par nos soins grâce à un programme interactif REMDATA. Les développements originaux de ce programme sont détaillés en annexe 3. Le chapitre dix traite le transfert des informations de l'ancien maillage au nouveau maillage. A ce niveau, deux types d'informations sont considérés: a. les informations relatives aux éléments de solide, b. les informations relatives aux éléments modélisant le contact Le transfert des informations de type a est une opération souvent traitée par la littérature. Après une revue bibliographique des méthodes proposées, nous présentons une méthode originale et personnelle de transfert. Ses qualités principales sont sa précision, sa facilité de mise en uvre et sa souplesse d'utilisation. Une comparaison de cette méthode avec deux autres méthodes basées respectivement sur les moindres carrés et sur l'extrapolation nodale des valeurs aux points d'intégration est présentée. Concernant les informations de type b, nous n'avons trouvé aucune référence qui traitait leur transfert d'un maillage à l'autre. Ce point est cependant important, comme le montrent des essais de remaillage réalisés sans interpolation de ces variables. Les deux méthodes de transfert présentées dans cette thèse montrent l'évolution de notre approche de ce problème. Toutes deux constituent des apports personnels et originaux. Le chapitre onze présente cinq exemples d'application des développements réalisés: 1. l'analyse thermique métallurgique d'une poutrelle métallique refroidie par arrosage et refroidissement naturel, 2. l'analyse thermique métallurgique mécanique d'une poutrelle métallique refroidie par arrosage et refroidissement naturel, 3. l'analyse thermique métallurgique mécanique de la trempe d'un cylindre en acier 60NCD11, 4. la simulation de l'estampage d'une aube de turbine (analyse mécanique avec remaillage), 5. la simulation de l'estampage d'un pignon de machine (analyse mécanique avec remaillage). Hormis l'application 3 qui constitue l'application du code à un cas test déjà traité par DENIS et SJOSTROM (CP31), ces exemples constituent des contributions originales. Quelques conclusions sont proposées au chapitre douze. Parmi nos contributions originales, certaines nous semblent d'une ampleur et d'un intérêt plus grands :  la loi élastoplastique thermique métallurgique et son schéma d'intégration prennent en compte les couplages existant entre les différents phénomènes. Le nombre de codes réalisant une telle analyse est assez réduit alors que des calculs réalistes de contraintes résiduelles de trempe, de soudure ne peuvent être obtenus par des analyses découplées. De plus, l'adaptation des modèles développés à d'autres traitements thermiques (revenu n.) constitue de nouvelles perspectives de recherches pour l'équipe de M.S.M.,  une présentation des estimateurs d'erreur disponibles dans le cadre de la méthode des éléments finis est une information précieuse pour les ingénieurs numériciens comme pour les industriels qui ont recours à ces calculs,  les différents avantages et inconvénients des critères de remaillage basés respectivement sur les estimateurs d'eITeur et les mesures des distorsions des éléments constituent un élément important pour ceux qui doivent faire un choix entre ces deux types de critères,  l'importance du transfert des informations relatives au contact a été mis en évidence, alors que ce sujet n'est pas abordé dans la littérature.

Les superalliages à base de nickel sont très utilisés pour la réalisation des parties chaudes des turbomoteurs aéronautiques. Ainsi le superalliage Inconel 718 est utilisé pour la fabrication de pièces telles que les disques de turbines. Ce superalliage est fortement utilisé car il associe de bonnes propriétés mécaniques jusqu'à 650°C à un coût raisonnable. Au début des années 2000, ATI Allvac a développé un nouveau superalliage à base de nickel dans le but de concurrencer l'Inconel 718. Ce nouvel alliage, nommé ATI 718Plus, promet des propriétés mécaniques supérieures que celles de l'Inconel 718 pour une utilisation pouvant aller jusqu'à 700°C. Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques jusqu'à 700°C, la composition chimique de l'alliage ATI 718Plus a été établi par ATI Allvac, de façon à obtenir la phase intragranulaire !' comme phase durcissante, et la phase intergranulaire " comme dans l'Inconel 718. L'objectif de l'étude a été dans un premier temps de comprendre la microstructure de l'alliage. Pour cela des analyses en MEB et en MET ont été menées sur un grand nombre d'échantillons, traités à diverses températures et pour divers temps, de façon à identifier la nature cristallographique et chimique et la cinétique de précipitation des phases présentes dans l'alliage. Dans un second temps l'étude a consisté à caractériser la microstructure et les propriétés mécaniques en traction et en fluage de l'alliage ATI 718Plus traité selon neuf gammes de traitements thermomécaniques différentes. Ensuite l'étude a permis de tester trois gammes de traitements thermomécaniques dont nous avons défini les paramètres grâce aux résultats précédents de manière à optimiser la microstructure dans l'objectif d'améliorer les propriétés mécaniques de l'alliage. Les essais de traction réalisés sur une grande varieté de microstructures et pour différentes températures ont également permis de caractériser la sensibilité de l'alliage ATI 718Plus au phénomène de Portevin - Le Chatelier.

Les superalliages à base de nickel sont très utilisés pour la réalisation des parties chaudes des turbomoteurs aéronautiques. Ainsi le superalliage Inconel 718 est utilisé pour la fabrication de pièces telles que les disques de turbines. Ce superalliage est fortement utilisé car il associe de bonnes propriétés mécaniques jusqu’à 650°C à un coût raisonnable. Au début des années 2000, ATI Allvac a développé un nouveau superalliage à base de nickel dans le but de concurrencer l’Inconel 718. Ce nouvel alliage, nommé ATI 718Plus, promet des propriétés mécaniques supérieures que celles de l’Inconel 718 pour une utilisation pouvant aller jusqu’à 700°C. Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques jusqu’à 700°C, la composition chimique de l’alliage ATI 718Plus a été établi par ATI Allvac, de façon à obtenir la phase intragranulaire !’ comme phase durcissante, et la phase intergranulaire " comme dans l’Inconel 718. L’objectif de l’étude a été dans un premier temps de comprendre la microstructure de l’alliage. Pour cela des analyses en MEB et en MET ont été menées sur un grand nombre d’échantillons, traités à diverses températures et pour divers temps, de façon à identifier la nature cristallographique et chimique et la cinétique de précipitation des phases présentes dans l’alliage. Dans un second temps l’étude a consisté à caractériser la microstructure et les propriétés mécaniques en traction et en fluage de l’alliage ATI 718Plus traité selon neuf gammes de traitements thermomécaniques différentes. Ensuite l’étude a permis de tester trois gammes de traitements thermomécaniques dont nous avons défini les paramètres grâce aux résultats précédents de manière à optimiser la microstructure dans l’objectif d’améliorer les propriétés mécaniques de l’alliage. Les essais de traction réalisés sur une grande varieté de microstructures et pour différentes températures ont également permis de caractériser la sensibilité de l’alliage ATI 718Plus au phénomène de Portevin - Le Chatelier. / Nickel base superalloys are used to manufacture many high temperature parts of aeronautical turboengines like turbine disks. The Inconel 718 superalloy is commonly used because it associates good mechanical properties until 650°C with a moderate cost. In the beginning of the 2000’s, ATI Allvac has developed a new nickel base superalloy to compete with the Inconel 718. This new superalloy, called ATI 718Plus, promises better mechanical properties than those of Inconel 718 for a use up to 700°C. To obtain such good mechanical properties, the chemical composition of the alloy ATI 718Plus has been designed by ATI Allvac to obtain the !’ intragranular phase as the strengthening phase, and the " intergranular phase like in the Inconel 718. The objective of the study is first to understand the microstructure of the alloy. For that reason, SEM and TEM analyses were performed on a large number of samples, treated at various temperatures and for different times, to identify the crystallographic and chemical nature and the precipitation kinetic of the phases present in the alloy. In a second time, the study has consisted in characterizing the microstructure and the mechanical properties of the alloy ATI 718Plus, forged according to nine different thermomechanical treatments. Then, the study has permitted to test three thermomechanical treatments, wich parameters we have determined according to the previous results, to optimize the microstructure in order to improve alloy mechanical properties. Strength tests performed on various microstructures and several temperatures also permitted to characterize the alloy ATI 718Plus sensitivity to Portevin-Le Chatelier effect.

Cette étude fait partie du projet ANR DEFISURF, avec pour objectif d'identifier et de modéliser les divers effets de la surface sur la tenue en fatigue de composants forgés. Deux composants sont étudiés: une éprouvette extrudée à froid et une bielle estampée à chaud et nettoyée de sa calamine par grenaillage (shot-blasting). Pour chaque composant, différents lots sont étudiés afin de quantifier l'effet des procédés sur les caractéristiques mécaniques et sur le comportement en fatigue. Deux taux de corroyage différents sont utilisés pour l'extrusion à froid. Pour les bielles, différents grenaillages sont réalisés pour obtenir divers états de surface.Les différents lots sont caractérisés de façon approfondie et des essais de fatigue sont effectués. Des essais de fatigue en traction, torsion et flexion plane sont réalisés sur les éprouvettes extrudées. Des éprouvettes de fatigue sont prélevées dans l'âme des bielles et sollicitées en flexion plane.En extrusion à froid, les aspects les plus influents en fatigue sont la prédéformation subie lors de la mise en forme (taux de corroyage) et les contraintes résiduelles. En forgeage à chaud, ce sont les défauts de forgeage en surface et les contraintes résiduelles introduites par le grenaillage qui ont le plus d'influence.Une modélisation en fatigue est proposée pour chaque composant. Pour l'extrusion, un critère de fatigue multiaxial permet de prendre en compte les différents types de chargement ainsi que l'effet des contraintes résiduelles. Pour les bielles deux approches sont utilisées. La première est une analyse de la géométrie des défauts qui utilise un demi-ellipsoïde pour approximer leur forme. La deuxième approche est une simulation numérique par éléments finis des défauts critiques. Les contraintes résiduelles sont intégrées dans les simulations avec un critère multiaxial. Les simulations permettent de retrouver les résultats expérimentaux avec une erreur d'environ 15%. / This study is part of the DEFISURF project, with the goal of analysing and modelling the various effects of the surface on the fatigue strength of forged components. Two components are studied: a cold-extruded specimen and a connecting rod which is hot-forged and then cleaned by shot-blasting. For each component, different batches are studied in order to quantify the effects of the process on the mechanical characteristics and the fatigue behaviour. Two different reduction of sections are used for the cold-extruded specimens and shot-peening is used to obtain various surface states for the connecting rods.The various batches are thoroughly characterised and fatigue tests are performed. Traction, torsion and plane-bending tests are conducted on the cold-extruded specimens. Fatigue specimens are machined from the central part of the connecting rods and loaded in plane-bending.For cold-extrusion, the parameters with the most influence in fatigue are the prestrain induced during forging and the residual stresses. In hot-forging, the surface defects produced during forging and the residual stresses induced by the shot-blasting have the most influence.For each component, a fatigue model is suggested. For the cold-extruded specimens, a multiaxial fatigue criterion is used to take into account the various fatigue loadings and the effect of the residual stresses. Two approaches are used for the connecting rods. The first is a geometrical analysis of the defect which approximates them with an ellipsoid. The second approach uses finite element simulations of the critical defects. The shot-peening residual stresses are integrated in the simulations with a multiaxial criterion. These simulations predict the fatigue limit of the specimens with an error of around 15%.

La présente thèse s’inscrit dans un contexte d’optimisation des procédés de forgeage et de traitements thermiques des alliages de titane pour les pièces de moteurs Snecma.Les sociétés TIMET, élaborateur, et SNECMA, motoriste, ont identifié des enjeux très analogues concernant le forgeage des billettes en alliage de titane destinées à la fabrication de disques moteurs. Il est nécessaire d'acquérir une maîtrise complète de la gamme de transformation, de la coulée au produit final. Ce traitement thermomécanique comporte une alternance d’étapes de forgeage dans les domaines bêta, à haute température, et alpha + bêta, à basse température.L’objectif est de déterminer expérimentalement et de modéliser le comportement mécanique ainsi que les évolutions de microstructure de l’alliage Ti17 au cours d'une déformation dans le domaine alpha + bêta suivie d’un maintien en bêta.En amont, ces travaux mènent à une meilleure compréhension des facteurs qui influencent la taille de grain dans le domaine bêta : la taille de grain bêta initiale, les orientations des aiguilles alpha dans le grain, la déformation et la désorientation subies lors du forgeage en alpha + bêta, etc.En ce qui concerne les applications, ils s’intègrent à un post-processeur métallurgique dédié au forgeage des alliages de titane, qui utilise les histoires thermomécaniques issues d’un calcul par éléments finis. / The thesis is part of a broader optimization program related to the forging and the heat treatments of SNECMA-engine components in titanium alloys.TIMET (producer) and SNECMA (engine manufacturer) companies have identified very similar issues concerning the forging of billets in titanium alloy for manufacturing engine discs. They need thus to gain complete control over the transformation range, from the casting to the final product. This thermomechanical treatment involves alternating forging steps in the beta domain, at high temperature, and in the alpha + beta field, at lower temperatures.The aim is to simulate the forging step in the two-phase, alpha + beta, range followed by recrystallization in the beta field during which microstructure evolves. This simulation involves the following phenomena: grain deformation, recrystallization and grain growth of the beta matrix and disorientation/fragmentation of the alpha-Widmanstätten platelets. More specifically, the effects of deformation in the alpha + beta field on the subsequent beta-grain growth during the heat treatment at higher temperatures have been analyzed in the case of Ti17 titanium alloy.Upstream, the work leads to a better understanding of the factors that influence grain size in the beta domain: the initial beta-grain size, the orientation of alpha needles in the grains, the distortion and disorientation experienced during the alpha + beta forging, etc. With regard to the applications, the above results will be implemented into a metallurgical post-processor dedicated to the forging process of titanium alloys, using the thermomechanical history resulting from a finite-element calculation.