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Theses Year : 2022

Tool Materials Development for Improved Performance of Cutting Tools inCryogenic Machining of Aeronautic Alloys

Développement de nouveaux matériaux de protection pour outils de coupe lors d’usinage cryogénique d’alliages pour l’aéronautique

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Abstract

Environmental concerns and cost reduction of metal working fluids (MWF) used in machining operations result in ever-growing industrial interest in replacing these fluids with eco-friendly cryogenic fluids such as liquid nitrogen (LN2). However, research on machining under cryogenic conditions (also referred to as “cryogenic machining”) using existing cutting tools (developed for use with common MWF) have shown a large scatter in tool wear, and thus tool life. This scatter can be partially attributed to the subpar performance of the existing cutting tools under cryogenic temperatures. The proposed project aims developing of the next generation of cutting tools for cryogenic machining (milling, turning and drilling). The objective is to enhance the performance of the cutting tools for cryogenic machining by improving the chemical/mechanical/physical properties of the tool materials. One solution to improve the tool life is surface treatments, such as PVD hard coatings. Many studies have been made regarding this topic of research, but so far, the main objective is to obtain coatings that have a high thermal stability at high temperatures (more than 1000°C). This is typically the case of TiAlN. This study is innovative, because it deals with hard protective coatings that will have a high thermal stability at very low temperature (-196°C) but that could also support thermal shocks. Indeed, during cryogenic machining, even under a -196°C atmosphere, the local temperature at tool-chip/work piece contact can be extremely high.This study can be divided into the following tasks:- To optimize monolayers such as: CrN and AlCrN, by varying 2 parameters: deposition temperature and bias voltage on substrate.- To develop multilayers such as Cr/CrN/AlCrN, by varying 2 parameters: thickness of each monolayer and the number of interfaces or number of each monolayer.- To characterize these different coatings (SEM+EDS, XRD, stress, hardness, adhesion, XPS, thermal properties etc) to determine the optimal mono and multilayers to be applied on pins for friction tests.- Tribological tests of uncoated and PVD-coated carbide pins with Ti alloy Ti6Al4V under cryogenic assistance (LN2) and classical emulsion.- The best coatings will then be applied on coated and uncoated tungsten carbide tools for the tool wear tests on turning of Ti alloy Ti6Al4V under cryogenic assistance and emulsion.The effect of the cryogenic assistance will be compared to the emulsion and the feasibility of PVD coatings developed during the thesis will be determined after all these tests.Keywords : PVD coatings, Cryogenic Machining, Tribology, Wear Mechanism, Modeling and simulation, Aeronautic alloys
Des préoccupations environnementales et la réduction des coûts de liquides de lubrification utilisés en usinage ont conduit à l’accroissement de l’intérêt industriel dans le remplacement de ces liquides avec des liquides cryogéniques écologiques comme l'azote liquide (LN2). Cependant, la recherche en usinage dans des conditions cryogéniques (aussi appelé « usinage cryogénique ») a montré une grande dispersion d’usure et de vie des outils. Ceci s’expliquerait par la faible performance des outils utilisés actuellement à des températures cryogéniques.L’objectif de ce projet est d’améliorer la performance des outils de coupe lors du tournage d’alliage de Ti sous atmosphère cryogénique en améliorant leurs propriétés chimiques/mécaniques/physiques. Une solution est l’application de traitements de surface, comme les dépôts PVD. Beaucoup d'études ont été faites quant à l’application de dépôts sur des outils de coupe en usinage mais jusqu'ici l'objectif principal était d'obtenir des couches présentant une stabilité thermique à de hautes températures (plus de 1000°C). Ceci est typiquement le cas de TiAlN. Notre étude va donc consister à optimiser des dépôts stables thermiquement à de très basses températures (e.g. sous azote liquide à -196°C) tout en supportant des chocs thermiques. En effet, pendant l'usinage cryogénique, même sous une atmosphère à -196°C, la température locale au contact outil/copeau peut être extrêmement élevée.Cette étude peut être divisée selon les tâches suivantes :- Optimisation de monocouches telles que CrN et AlCrN, en faisant varier 2 paramètres : la température de dépôt et la tension de polarisation du substrat.- Développer des multicouches comme Cr / CrN / AlCrN, en faisant varier 2 paramètres : l'épaisseur de chaque monocouche et le nombre d'interfaces ou le nombre de chaque monocouche.- Caractériser ces différents revêtements (MEB + EDS, DRX, contraintes, dureté, adhérence, XPS, propriétés thermiques etc) pour déterminer les mono et multicouches optimales à appliquer sur les pions pour les tests de frottement.- Réaliser de essais tribologiques sur des pions en carbure de tungstène non revêtus et revêtus avec l’alliage de Titane Ti6Al4V, sous assistance cryogénique (LN2) et émulsion.- Les meilleurs revêtements seront ensuite appliqués sur des outils en carbure de tungstène pour réaliser des essais d’usure en tournage de l’alliage de Titane Ti6Al4V sous assistance cryogénique (LN2) et émulsion.L'effet de l'assistance cryogénique sera comparé à l'émulsion et la faisabilité des revêtements PVD développés pendant la thèse sera déterminée après tous ces essais.Mots-clefs : Revêtements PVD, Usinage cryogénique, Tribologie, Mécanismes d’usure, Modélisation et simulation, Alliages aéronautiques
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03635214 , version 1 (08-04-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03635214 , version 1

Cite

Yutao Zhang. Développement de nouveaux matériaux de protection pour outils de coupe lors d’usinage cryogénique d’alliages pour l’aéronautique. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022HESAE009⟩. ⟨tel-03635214⟩
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