Effet des défauts de surface sur la tenue en fatigue du TA6V en fabrication additive

Dans un article de référence, Eric Wycisk et son équipe (LZN Laser Zentrum North GmbH) a étudié l'impact des défauts sur les caractéristiques en fatigue d'alliage de titane TA6V issu de fabrication additive. Il ressort que les éprouvettes polies présentent un bien meilleur comportement (limite d'endurance de 500 MPa) que les éprouvettes brutes de fabrication additive (210 MPa) qui cassent majoritairement sur des défauts externes. La grande finesse de la microstructure liée au process de fabrication a un impact positif sur la tenue en fatigue en privilégiant le stade d'initiation de fissures.

Les paramètres de l'étude
Deux types d'éprouvettes ont été réalisées et sollicitées mécaniquement; des éprouvettes de fatigue à grand nombre de cycle (courbe de Woehler) et des éprouvettes CT entaillées de tenue au choc (de 60 x 62,5 mm sur 12,5 mm d'épaisseur). Les faciès de rupture ont ensuite été analysés au MEB pour déterminer l'origine de la rupture. Des modèles numérique de comportement (vitesse d'initition de fissures) ont été testés.

Etude à télécharger ICI

Les essais de fatigue
Les éprouvettes HCF (High Fatigue Cycle) de l'étude ont été réalisées dans les conditions suivantes :

• Fabrication additive sur une machine du commerce (laser de 200 W) avec des couches de 30 µm sous atmosphère inerte d'Argon
• Traitement thermique post-process de 3h à 650°C sous vide pour relaxer les contraintes résiduelles
• Deux direction de construction testées : 90° et 45°
• Éprouvettes sollicitées en conditions brutes de fabrication additive (Ra 12 µm) et en condition usinées et poli miroir
• Éprouvettes de fatigue de diamètre 5 mm (zone travaillante), de 65 mm de long (tête de diamètre 12 mm)
• Courbe de Woehler à 10 millions de cycles en R0,1 (mors hydraulique) avec fréquence de 50 Hz

Les résultats en fatigue
Les essais de fatigue et les examens au MEB post-mortem ont permis d'arriver à différentes conclusions :

• Pas d'effet statistiquement mesurable de la direction de construction des éprouvettes (90° et 45°) sur la tenue en fatigue
• Écart très important en limite d'endurance à 10 millions de cycles selon l'état de surface : 210 MPa à l'état brut et 500 MPa après polissage. La dispersion des résultats est cependant beaucoup importante sur éprouvettes polies
• Les défauts observées sur les faciès de rupture sont de deux types (défauts internes liés à des zones infondus et défauts de surface)
• Les éprouvettes brutes cassent uniquement sur des défauts externes (très pénalisants en fatigue), liées à la rugosité inhérente au process de fabrication additive et à des défauts externes, ce qui explique les faibles mécaniques mesurées
• Les éprouvettes polies cassent sur deux population de défauts: des défauts internes (moins pénalisant) et des défauts externes (plus pénalisant) de taille et de localisation variable, ce qui explique la dispersion plus importante des résultats en fatigue des éprouvettes polies près de la limite d'endurance
• La finesse de la microstructure obtenue en fabrication additive influence positivement la tenue en fatigue. En effet, la fatigue semble pilotée majoritairement par le stade d'inition de fissures
• Des modèles de comportement (vitesse de propagation de fissures) basés sur les lois de Kitgawa-Takahashi and El Haddad and Topper et des simulations numériques (LEFM-Software) en fatigue (vitesse de propagation de fissures) ont été également développés avec d'assez bonnes capacités de prédiction de comportement

Utilisation du T46V
Les alliages de titane et en particulier le Ti-6Al-6V sont utilisés dans l'industrie aéronautique et dans le médical où plus de 20 000 implants osseux à structure lattice ont déjà été implanté sur des patients.

Source : Effects of defects on laser additive manufactured Ti-6Al-6V on fatigue properties - Eric Wycisk