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Matériaux et Procédés pour des Produits Performants (MATETPRO)
Edition 2012


TITUS


Critères d’optimisation des alliages de TITane pour améliorer leur USinabilité

TITUS
Critères d’optimisation des alliages de TITane pour améliorer leur USinabilité

Productivité des opérations d'usinage des alliages de titane
L’introduction massive des composites a impacté les opérations d’assemblages, et notamment de perçage, qui consistaient jusqu’alors majoritairement à percer des alliages d’Aluminium entre eux. Aujourd’hui, les cas d’assemblage les plus courants sont des empilages hybrides composite/métal. Le coût du perçage d’un assemblage hybride est 10 fois plus élevé que celui d’un assemblage métal/métal, voire plus avec l’augmentation du diamètre. L’optimisation du perçage des empilages composites/titane passe nécessairement par une parfaite maîtrise du perçage des alliages de titane. Ce projet s’inscrit dans une démarche globale de maîtrise des coûts d’usinage des alliages de titane, en se concentrant sur l’opération de perçage avec pour objectif d’améliorer l’usinabilité des alliages de titane.
Pour l’usineur, une usinabilité améliorée s’évalue par la combinaison simultanée des plusieurs critères tels que la durée de vie outil augmentée, les paramètres de coupe augmentés et la qualité de surface respectant les spécifications. En s'appuyant sur ces critères, le projet a pour objectifs de contribuer à l’optimisation des paramètres de coupe et à l‘optimisation du matériau pour trois nuances d’alliage de titane, en s’attachant à développer une analyse fine des phénomènes physiques mis en jeu dans le procédé d’usinage des alliages de titane. S’il est maintenant établi que suivant leur composition chimique et leurs traitements thermo-mécaniques, les alliages de titane présentent de fortes variations de capacités d’usinage, la compréhension des phénomènes reste un axe clé à approfondir en vue d’optimiser les conditions d’usinage en fonction des propriétés du matériau. Le but est d’améliorer la compréhension de base du phénomène d’usinage, d’identifier les propriétés matériaux (mécaniques, thermiques, métallurgiques) mises en jeux lors de cette opération, et d’optimiser les conditions d’usinage en fonction de ces propriétés.

Une approche multi-échelle
La démarche scientifique adoptée par le projet est tout à fait novatrice de par son approche technique dans le domaine de l’usinage. En effet, le projet s’appuie sur une approche multi-échelle dans ce domaine. Les approches multi-échelles sont largement utilisées dans la compréhension et la prédiction des lois de comportements de matériaux, mais de façon moins usuelle en ce qui concerne les procédés, et ce plus particulièrement dans l’usinage.
L’originalité de ce travail est aussi de pouvoir, à partir d’essais instrumentés en tournage et de modélisation, et sur le principe de la discrétisation d’une arête de coupe, de connaitre les sollicitations subies par les outils de perçage et d’y associer la connaissance du comportement du matériau. Il sera alors possible de transposer les résultats obtenus sur des arêtes élémentaires de coupe en tournage sur la technique de perçage qui sont bien plus difficiles à instrumenter et à modéliser.
Au-delà de la caractérisation de l’usinabilité du matériau pour connaître son comportement face aux sollicitations thermomécaniques en usinage, ce projet permettra de mettre en évidence l’effet de la microstructure du matériau sur son usinabilité via les lois de comportement. En effet, si l’on se contente de caractériser l’usinabilité du matériau, il ne sera pas possible de généraliser les résultats à d’autres alliages de titane ou à une autre microstructure de l’alliage étudié. La connaissance de l’effet de la microstructure sur l’usinabilité permettra ainsi de généraliser certains résultats à un type de microstructure ou encore à une famille de matériau, et ce sans avoir besoin de réaliser une étude complète. La démarche proposée doit donc mettre en évidence les relations entre le triptyque suivant : la microstructure, la loi de comportement et l’usinabilité.

Résultats

Les résultats du projet amèneront une compréhension des propriétés matériaux qui jouent un rôle sur l’usinabilité. A partir de ces éléments, il sera possible en amont du choix des matériaux, de tenir compte de cette propriété de mise en forme. Ce projet donnera des outils d’optimisation de ses alliages de Titane et permettra de disposer d’une caractérisation de base des alliages pour prévoir leur usinabilité. Les traitements thermiques, et les gammes de fabrication des pièces pourront être adaptés en conséquence afin de conduire à une réduction des coûts.Le succès d’obtention de ces résultats passe par des résultats intermédiaires. Ainsi, les cinétiques de changement de phase des alliages seront caractérisées pour diverses conditions de chauffage, notamment au cours de chauffage rapide afin d’être dans les conditions d’usinage. Le perçage étant une opération complexe (variation des angles, confinement…), des résultats intermédiaires porteront sur le tournage. Cette étape permet de mieux interpréter les phénomènes physiques associés à chaque paramètre de coupe, et en particulier les transformations métallurgiques au niveau de la pièce et du copeau. Une corrélation de ces résultats avec les résultats de perçage sera un résultat important du projet. La modélisation des opérations de perçage à partir des phénomènes de coupe identifiés pendant les essais de tournage pour différentes géométries de coupe et la modélisation des champs thermiques dans la pièce pour les opérations réalisées dans les différents alliages de titane ciblés complétera la compréhension sur les différences d’usinabilité. Une part importante de la modélisation est consacrée à la formation du copeau à partir de lois de comportement multi-échelle. Un des résultats escompté de ce projet est de disposer d’un modèle permettant de prévoir l’usinabilité du matériau à partir des lois de comportement des alliages de titane.

Perspectives

Ces résultats permettront de guider les domaines de prospections pour le développement de nouveaux matériaux à usinabilité améliorée. De plus, la caractérisation particulière de l’alliage de titane pourra devenir un élément de certification du produit dans le futur.

Productions scientifiques et brevets

Ce projet permettra au laboratoire IJL de se familiariser avec la problématique des évolutions microstructurales rencontrées lors de l’usinage en sollicitations thermomécaniques sévères et de pouvoir par la suite exploiter les connaissances développées dans TITUS pour une optimisation des microstructures initiales des alliages de titane. Ces résultats pourront faire l’objet de publications.
Pour le laboratoire LAMPA, ce projet va permettre de pouvoir progresser d’une part sur le lien entre la microstructure des alliages de titane et leur comportement sous sollicitations extrêmes, et d’autre part sur le lien entre le comportement du matériau et son usinabilité. Ces deux domaines sont encore mal maitrisés par la communauté scientifique, ce qui donnera au laboratoire LAMPA et aux acteurs de ce projets une avancée significative. De plus, ces actions permettront de renforcer les connexions avec les laboratoires IJL et LaBoMaP. Lors de ce projet, le lien entre les laboratoires LAMPA et LaBoMaP sera concrétisé par le co-encadrement d’une thèse qui permettra des valorisations communes sur le sujet.
En ce qui concerne le laboratoire LaBoMaP, les avancées significatives de ce projet permettront de mieux comprendre l’impact des lois de comportement des alliages de titane sur les mécanismes de formation du copeau et sur les modèles d’efforts locaux à l’échelle méso de l’arête de coupe. Le projet permettra aussi la mise en évidence des relations entre le tournage et le perçage. La valorisation de ces travaux sera réalisée par des publications scientifiques.

Partenaires

AEROLIA AEROLIA

Arts et Métiers ParisTech Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers

EADS IW EADS France Département Innovation Works

IJL Institut Jean Lamour

TIMET TIMET SAVOIE SA

Aide de l'ANR 815 776 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 42 mois

Résumé de soumission

L’introduction massive de matériaux composites renforcés de fibres de Carbone (CFRP) sur la majeure partie des structures travaillantes de l’avion A350 (fuselage et voilure) a soulevé de nouvelles problématiques pour les matériaux métalliques. Du fait qu’ils présentent une meilleure compatibilité avec le CFRP que les alliages d’Aluminium, les alliages de Titane, dont les principales applications étaient limitées au mât réacteur jusqu’à l’A380, sont venus supplanter les alliages d’Aluminium pour les pièces de fuselage en métal. Le pourcentage en masse des alliages de Titane a pratiquement doublé de l’A380 à l’A350. Ces pièces sont souvent très ouvragées et nécessitent des opérations d’usinage conséquentes, or la différence de productivité entre l’usinage d’un alliage d’aluminium et celui d’un alliage de Titane peut atteindre un rapport 30. Ces chiffres donnent une idée des difficultés liées à la baisse de productivité ainsi que à l’augmentation des coûts auxquelles se trouvent confrontés les ateliers qui usinent ces pièces. L’objectif industriel est donc d’améliorer la productivité de l’usinage des alliages de Titane afin d’en réduire les coûts.
Le projet TITUS se propose de répondre à cet objectif, en s’attachant à développer une compréhension des phénomènes physiques mis en jeu lors de l’opération d’usinage. Il s’appuiera pour cela sur des travaux concernant la coupe, la déformation à chaud et sur la métallurgie. Dans la littérature, des travaux ont été réalisés sur les relations microstructures / loi de comportement, loi de comportement / usinabilité ou encore microstructures / usinabilité, mais aucun n’a permis d’identifier les propriétés matériaux mises en jeu lors du procédé d’usinage, et notamment d’expliquer les différences d’usinabilité observées entre des alliages de Titane tels que le Ti6Al4V de structure a+ß et le Ti6Al4V de structure ß. L’approche globale développée dans le projet TITUS, basée sur la corrélation microstructure/ loi de comportement dans le domaine des très grandes vitesses et en températures élevées/coupe fait le caractère novateur du projet. Un des résultats escompté de ce projet est de disposer d’un modèle permettant de prévoir l’usinabilité du matériau à partir des lois de comportement des alliages de Titane.
Ce projet fait donc intervenir des spécialistes de la coupe, des mécanismes d’endommagement en conditions extrêmes, de la métallurgie des alliages de Titane et de la modélisation. Il est réalisé par les entreprises ; EADS IW, TIMET et AEROLIA et les laboratoires ; IJL, LAMPA et LaBoMaP.

 

Programme ANR : Matériaux et Procédés pour des Produits Performants (MATETPRO) 2012

Référence projet : ANR-12-RMNP-0012

Coordinateur du projet :
Monsieur Guillaume ABRIVARD (EADS France Département Innovation Works)
guillaume.abrivard@nulleads.net

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.