Development of mechanical characterization tests at very high temperature with contactless instrumentation : Application to the identification by inverse analysis of the behavior of In718 nickel-based superalloy under conditions of additive manufacturing by LPBF process - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Development of mechanical characterization tests at very high temperature with contactless instrumentation : Application to the identification by inverse analysis of the behavior of In718 nickel-based superalloy under conditions of additive manufacturing by LPBF process

Développement d'essais de caractérisation mécanique à très haute température avec instrumentation sans contact : Application à l'identification par analyse inverse du comportement du superalliage base nickel In718 en condition de fabrication additive par le procédé L-PBF

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1
Feng Gao
  • Function : Author
  • PersonId : 1162707
  • IdRef : 26417285X

Abstract

Additive manufacturing of metallic alloys offers many advantages. However, extremely high thermal gradients and cooling rates may induce defects: distortions, residual stress, cracks. Numerical simulation is a predictive approach, but this requires a constitutive model for each considered alloy, under process conditions. In this project, the anisotropic mechanical behavior of the nickel-based superalloy In718, as processed from laser powder bed fusion (L-PBF), is characterized between 800 and 1100°C. Specimens built by L-PBF along different orientations were submitted to sequences combining uniaxial tensile load at different prescribed velocities and relaxation steps of different durations, operated under resistive heating and under vacuum, on a specifically developed testing machine (DEDIMET). The non-uniform temperature distribution on the sample induced by resistive heating was captured by a bichromatic infrared camera. The force evolution was measured, together with the displacement field via digital image correlation (DIC) with an original "self-emitting" method. The finite element method (lab library CimLib) was used to simulate a limited part of each sample, the zone of interest, in which a temperature dependent and anisotropic (Hill48) elastic-viscoplastic constitutive model was adopted. The kinematic boundary conditions applied to this zone of interest were provided by the DIC records, while an imposed temperature distribution was provided by the infrared camera. Numerical simulations gave access to the axial force, the displacement field, and the strain components. By inverse modelling, the minimization of a cost function (distance calculation-measurement) was achieved using the optimization platform of the lab (MOOPI), to evaluate the parameters of the selected model. A very good agreement calculation/measurement was obtained. The anisotropy resulting from L-PBF process, was also studied, and identified by an alternated optimization technique, well suited to the large number of parameters to identify. Anisotropy parameters were found to evolve with temperature. Different origins of this dependance were briefly investigated and discussed. The complex material constitutive law of In718, as identified, can be used in numerical simulation of L-PBF process, to predict potential defects and optimize manufacturing conditions
La fabrication additive d'alliages métalliques présente de nombreux avantages. Cependant, les gradients thermiques et les vitesses de refroidissement extrêmement élevés peuvent induire des défauts : distorsions, contraintes résiduelles, fissurations. La simulation numérique constitue une approche prédictive, ce qui nécessite pour chaque alliage un modèle du comportement mécanique en condition de fabrication. Dans ce projet, le comportement anisotrope du super-alliage à base de nickel In718, fabriqué par fusion laser de lit de poudre (L-PBF), est caractérisé entre 800 et 1100°C. Des éprouvettes, fabriquées par L-PBF avec différentes orientations laser, ont été soumises à des séquences combinant tractions uni-axiales à différentes vitesses et relaxations de différentes durées, sous chauffage résistif et sous vide, sur une machine développée spécifiquement (DEDIMET). La distribution de température non uniforme induite par le chauffage résistif a été capturée par caméra infrarouge bichromatique. L'évolution des forces a été mesurée, ainsi que les champs de déplacement par corrélation d'images numériques (DIC) avec une technique originale dite "auto-émettrice". La méthode des éléments finis (librairie CimLib du laboratoire) a été utilisée pour simuler une partie limitée de chaque éprouvette, la zone d’intérêt, dans laquelle un modèle thermo-élasto-viscoplastique anisotrope, de type Hill48, a été adopté. Les conditions aux limites en vitesse appliquées à cette zone d'intérêt ont été fournies par DIC, la distribution de température imposée provenant de la caméra infrarouge. Les simulations ont permis de calculer la force axiale, les déplacements et les déformations. Par analyse inverse, la minimisation d'une fonction coût (écart expérience-calcul) a été réalisée sur la plateforme d'optimisation du laboratoire (MOOPI) pour identifier les paramètres du modèle sélectionné. Un très bon accord calcul/mesures a été obtenu. L'anisotropie résultant du procédé L-PBF, a également été étudiée, et identifiée par une technique d'optimisation alternée, bien adaptée au nombre important de paramètres à identifier. Ces paramètres d'anisotropie ont été trouvés thermo-dépendants. Différentes origines cette dépendance ont été brièvement investiguées et discutées. La loi de comportement complexe de l'alliage In718, ainsi caractérisée, peut être utilisée en simulation numérique des procédés de fabrication additive par L-PBF pour prédire les défauts potentiels, et optimiser les conditions de fabrication
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Dates and versions

tel-03772722 , version 1 (08-09-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03772722 , version 1

Cite

Feng Gao. Development of mechanical characterization tests at very high temperature with contactless instrumentation : Application to the identification by inverse analysis of the behavior of In718 nickel-based superalloy under conditions of additive manufacturing by LPBF process. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPSLM045⟩. ⟨tel-03772722⟩
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