Study of the cold expansion process in hard metal aeronautical structures
Etude du procédé d'expansion à froid des alésages au sein des structures aéronautiques en métaux durs
Résumé
This thesis aims to contribute to the development of innovative processes for mechanical components made of hard metals (Titanium, steels and superalloys). In the aeronautical field, the design of ever more efficient and reliable structures remains a technical challenge. In mechanical assemblies, hole edges are the seats of high stress concentrations and are a major risk site for crack initiation. To fight against this damage, manufacturing technologies such as cold expansion are widespread for aluminium applications but not for hard metal. The objective of this study is to provide answers concerning the impact of the cold expansion on the fatigue performance of holes and understand the mechanisms of the process in these high performance alloys. In the present work, the methodology proposed is to carry out both experimental and numerical studies of the response of hard alloy holes subjected to cold expansion. An extensive experimental campaign has been set up. It includes several materials (Ti-6Al-4V αβ and β annealed, 15-5PH & Inconel 718) and aims to test many parameters. The process has proved very effective on the fatigue performance in these high performance alloys. On the other hand, the main technical and scientific challenge lies in determining the stress fields generated within the material after cold expansion, especially in hard metals, the behaviour of which can be diverse and complex. The numerical modelling strategy chosen has led to the development of polyvalent axisymmetric models that are dedicated to simulation of the split sleeve process. Experimental and numerical results were compared using various methodologies, such as the incremental hole drilling technique. Measurements have validated the finite element simulations, with the purpose of mapping the residual fields in the expanded metallic section and the proposal of optimisation techniques.
Ces travaux de thèse ont pour objectif de contribuer au développement de procédés innovants pour les assemblages contenant des métaux durs. Le procédé d’expansion à froid, dont l’efficacité a été prouvée à de nombreuses reprises sur les alliages d’aluminium et dont les qualités sont nombreuses, a attiré notre attention. L’objectif de la thèse est d’apporter des éléments de réponse quant à l’intérêt de l’utilisation du procédé d’expansion au sein des métaux durs, mesuré notamment par son impact sur la performance en fatigue. Plus généralement, il s’agit de comprendre son fonctionnement et son mode d’action au sein de ces alliages à hautes performances. Dans les travaux réalisés, les challenges scientifiques et techniques s’articulent autour de plusieurs thématiques d’étude. Des essais expérimentaux ont été effectués en vue de prouver la faisabilité du procédé mais aussi de mesurer de son impact sur la tenue fatigue d’alésages en alliages de titane (Ti-6Al-4V), en acier inoxydables à durcissement structural (15-5PH) mais aussi en superalliages à base Nickel (Inconel 718). L’efficacité du procédé a été prouvée et les gains apportés par la technologie sont importants. D’un autre côté, la problématique de la détermination des champs résiduels en bord de trou reste un réel défi pour la communauté intéressée par l’expansion à froid. La considération cette fois-ci des métaux durs apporte un degré supplémentaire de nouveauté et d’inconnu. La méthodologie générale employée réside dans la considération d’études numériques et expérimentales afin d’étudier la réponse des métaux durs à l’expansion à froid. Des modèles éléments finis axisymétriques ont été développés en vue de simuler le procédé complet d’expansion à froid réalisée au sein d’alésages et d’empilages de divers métaux durs. Les résultats numériques fournis ont été mis en parallèle avec ceux issus de mesures expérimentales, telles que la méthode du trou incrémental. Le but étant ainsi d’obtenir les cartographies les plus fiables possibles des contraintes résiduelles triaxiales générées en bord de trou mais aussi de rechercher de stratégies d’optimisations du procédé
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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