Study of the origin of defects detected in 7XXX aluminum alloy components for aeronautical applications
Étude de l'origine de défauts détectés dans des pièces en alliage d'aluminium de la série 7XXX destinées à l'industrie aéronautique
Résumé
The thesis project aims to study the origin of defects detected in 7XXX aluminium alloy components for aeronautical applications.This work was conducted on two different components (A and B) produced by Aubert&Duval using 7050 aluminium alloy ingots produced by Constellium. The choice of these two components is based on a five year industrial production statistical analysis. Component A has a much higher defect rate compared to component B, even though they are produced from the same ingots.This work was conducted according to two research axis:•Thermo-mechanical axis : defects occurred during the material forming as a result of ductile hot damage•Material axis: defects resulted from a pre-existent defect in the raw material that was not closed during forming.The thermo-mechanical axis is based on numerical simulations of the component's forming processes using the Forge® 2009 software. The material axis is based on the experimental characterization of porosity in a model material with high hydrogen content and thus a higher pore density than the industrial material. Small samples of the model material were experimentally forged using an alternating compression test that was designed and developed from the industrial forging process. Theses samples were characterized to describe pore evolution during hot deformation, by the combination of two characterization techniques: High Resolution Ultrasound Control (HRUS) and Scanning Electron Microscope (SEM) observations on 2D sections and fracture surfaces. An ultrasound signal processing technique was also developed in order to quantitatively compare two different deformation states using ultrasound control.The results of the numerical simulation of A and B component stamping process showed that the detected defects could not occur by ductile hot damage. Indeed, the stamping process is purely compressive and damage risks are thus very low. Moreover, the defect experimental characterization showed the presence of smooth surface areas very similar to the surface aspect of the rare observed porosity in the raw material. The same smooth aspect characterized the porosity observed in the model material. These results lead to the hypothesis that the detected defects could occur from a pre-existent defect (porosity more precisely) in the raw material. This hypothesis is consistent with the pore behaviour during the experimental hot forging of the model material.The hot forging experiment conducted on the model material, showed that pores tend to flatten as plastic strain increases. SEM observations on rupture surfaces from the highest plastic strain showed the presence of small smooth aspect areas. These areas confirm that some pores are not completely healed during deformation even though the correspondent ultrasound signal is very low. During heat treatment, unhealed pores after deformation seem to be reopened (smooth aspect surface areas) and expanded (ductile areas).
Les travaux de cette thèse s'insèrent dans le cadre de l'étude de défauts détectés par contrôle ultrason dans des pièces forgées en alliage d'aluminium destinées à l'industrie aéronautique.Cette étude a été menée sur deux pièces produites par Aubert&Duval en alliage d'aluminium 7050 fourni par Constellium. Ces pièces ont été sélectionnées sur base d'une étude statistique de l'occurrence des défauts sur cinq années de production industrielle. L'une présente un taux de rebut important du fait de ces défauts, l'autre un taux de rebut quasiment nul, bien qu'elles soient produites avec le même matériau.L'étude de l'origine des défauts a été construite autour de deux axes de recherche:• Axe thermomécanique : formation des défauts pendant la mise en forme par endommagement ductile à chaud.• Axe matériau : caractérisation des défauts préexistants dans le matériau après son élaboration et non refermés pendant la mise en forme.L'axe thermomécanique est basé sur la simulation numérique des gammes de mise en forme des pièces industrielles à l'aide du logiciel Forge® 2009. Le deuxième axe est articulé autour de la caractérisation de l'état de porosité dans un matériau modèle présentant une teneur en hydrogène élevée induisant un taux de porosité plus important que le matériau sain utilisé industriellement. De petits lopins de ce matériau modèle ont été soumis à une campagne de compression alternée simulant le forgeage industriel. La campagne de compression a été conçue par simulation numérique afin de reproduire les conditions thermomécaniques industrielles. Deux techniques de caractérisation complémentaires ont été mises en œuvre pour suivre l'évolution de la porosité : détection indirecte par contrôle ultrason à haute résolution spatiale et observations directes par microscopie électronique à balayage. Une méthode d'analyse quantitative des signaux ultrasonores a été mise au point pour ce travail.La comparaison par simulation numérique du procédé de matriçage des deux pièces industrielles étudiées a permis d'écarter l'hypothèse de la création des défauts par endommagement ductile à chaud. Lors du matriçage, la matière est soumise à des chargements globalement compressifs, et le risque d'endommagement est par conséquent très faible. De plus, comme observé lors de la caractérisation des défauts industriels, les défauts présentent un fond lisse, similaire au fond lisse observé sur les rares porosités présentes dans le matériau industriel à l'état brut d'élaboration. Le même type de fond lisse caractérise également les porosités présentes dans le matériau modèle. Cette observation favorise l'hypothèse de défauts provenant d'un défaut préexistant dans le matériau initial (en l'occurrence à partir d'une porosité). Cette hypothèse est par ailleurs cohérente avec le comportement des porosités lors de la simulation du forgeage sur petits lopins du matériau modèle.Les résultats de cette étude montrent en effet que les porosités ont tendance à s'aplatir et à se refermer pendant la déformation plastique à chaud, sans forcément cicatriser. Les faciès de rupture d'échantillons soumis à de fortes déformations cumulées et ne donnant plus de réponse ultrasonore significative continuent en effet de présenter de petites plages à fond lisse qui témoignent d'une cicatrisation incomplète. Le traitement thermique semble en outre favoriser la réouverture des porosités non cicatrisées (zones lisses) pendant la déformation et leur élargissement (zones ductiles).
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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