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Theses Year : 2003

Study and modelling of enamel behaviour during hot stamping of titanium alloy blades

Étude et modélisation du comportement des émaux lors du matriçage finition des aubes en alliage de titane

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Abstract

During the hot stamping (around 940°C) of titanium alloy blades, some surface defects can occur. Lubrication of this process is provided by graphite spray on tools and enamel coating (thickness around 100 μm) on workpieces. Coating is deposited on cold workpiece and is composed with organic adhesives and metallic oxides. After bibliographic analysis, we study coating film evolution during process on samples or pieces (blades, "saucers") . Heating induces marked decreasse of the film thickness and gives it properties very near those of metallic glasses. However, residual porosity and roughness on the surface are observed and classical viscosity measurement methods cannot be used. Defect is a local accumulation of enamel and graphite and result of few parameters combination: too large film thickness and residual porosity, too high tool temperature, lubricant damage... It results from enamel's flow from centre to side of contact which breaks the crust of coating out side the contact. In order to measure enamel coating viscosity, we develop two tests based on isothermal deformation of coated metal : low temperature indentation gives the brittle-ductile transition temperature (corresponding to 101 0 Pas about ) and high temperature compression gives an estimation of enamel viscosity starting from measurement of t rapped film thickness. Checking and improvement of the experimental procedure are performed with standard glass, with geometry samples evolution (film between tool and sample between two samples) and numerical simulation (Forge2® multi-mat.) in order to correct Wilson's theory. We develop a non- isothermal crushing test of cylinder on lateral surface for studying the effect of the lubricant, the enamel thickness and the tool temperature on friction and final enamel thickness distribution. Numerical simulation (Forge3®) provides value of friction and allows to analyse the thickness film evolution: It depends on metal surface extension, surface temperature and contact pressure gradients. The equation describing the enamel flow along the interface metal/tool is established and its resolution starting from numerical data provided by the stamping simulation (surface temperature, contact pressure, friction shear stress) could estimate the evolution of the enamel thickness distribution along stamping process and defect apparition probability .
La production d'aubes en TA6V par matriçage à chaud (vers 940°C) donne occasionnellement l i eu à l'apparition de défauts de surface. La lubrification est assurée côté outils par un lubrifiant graphité, côté pièces par un film d'émail, mélange d'oxydes métalliques et de liant s organiques déposé à froid sur l'ébauche et d'épaisseur de l'ordre de 100 à 200 μm. Après une étude bibliographique, nous étudions l'évolution du film d'émail lors du préchauffage sur échantillons et au cours du procédé industriel sur pièces (aubes, " soucoupes "). Le préchauffage confère au film d'émail des propriétés proches de celles des verres métalliques, réduit fortement son épaisseur , mais laisse une porosité et une rugosité variables qui ne permettent pas la mesure de sa viscosité par des méthodes classiques. Le défaut est une accumulation locale d'émail et de graphite et résulte d'une conjugaison de facteurs : excès d'épaisseur et de porosité résiduelle du film d'émail , température d'outil trop élevée, avarie du film lubrifiant... Un mécanisme de formation du défaut par écoulement de l'émail à l'interface métal-outil du centre vers le bord du contact et rupture de la croûte du film à l'extérieur du contact est proposé. Pour déterminer la viscosité des films d'émail, nous développons deux essais de déformation isotherme de métal revêtu d'émail : indentation à basse température fournissant la température de transition fragile ductile correspondant à 101 0 Pas environ ; compression à température élevée permettant d'estimer la viscosité par mesure de l'épaisseur du film piégée. La mise au point de cet essai s'est faite sur un verre étalon par modification des géométries (piégeage entre outil et lopin, puis entre deux lopins) et par simulation numérique du piégeage (Forge2® multi-mat.) afin de corriger l'analyse théorique de Wilson. Enfin. un essai anisotherme d'écrasement de cylindre sur génératrice permet d'étudier l'effet du lubrifiant, de l'épaisseur d'émail et de l a température d'outil sur le frottement et la répartition d'émail à l'interface. La simulations numérique (Forge3®) permet d'identifier le frottement et d'analyser l'évolution d'épaisseur de l'émail : elle dépend de l'étirement superficiel du métal et des gradients de température superficielle et de pression de contact. L'écoulement de l'émail est mis en équation et sa résolut ion à partir des données issues de la simulation du forgeage (pression de contact, scission de frottement, température superficielle) permettrait d'évaluer la redistribution d'émail au cours du matriçage et les risques d'apparition du défaut.
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Dates and versions

tel-00443623 , version 1 (31-12-2009)

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  • HAL Id : tel-00443623 , version 1

Cite

François Frascati. Étude et modélisation du comportement des émaux lors du matriçage finition des aubes en alliage de titane. Mécanique [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2003. Français. ⟨NNT : 2003ENMP1116⟩. ⟨tel-00443623⟩
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