Study of the high-cycle fatigue properties of wire and arc additively manufactured materials and structures

Les procédés de fabrication additive s’imposent comme des moyens de production alternatifs pour la fabrication de pièces aux géométries complexes et à forte valeur ajoutée. C’est le cas du secteur industriel naval, où est proposée l’utilisation du procédé Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) pour la fabrication de pièces pouvant être creuses. Les matériaux issus de ce procédé présentent classiquement une microstructure hétérogène, des défauts internes, un champ de contraintes résiduelles et des aspérités marquées en surface. Dans ce contexte, et afin de mettre en place une méthode de dimensionnement en fatigue polycyclique d’une structure fabriquée par WAAM, les objectifs de cette thèse sont de proposer des méthodes de prévision prenant en compte, d’une part, les défauts internes inhérents au procédé, et d’autre part, l’état de surface brut de fabrication. La démarche adoptée pour répondre à ces objectifs repose sur l’utilisation de la thermométrie au cours d’essais cycliques pour l’identification de paramètres utiles à la mise en place de modèles probabilistes adaptés à chaque problématique. Il est ainsi montré, d’une part, que l’auto-échauffement (associé au caractère dissipatif) du volume moyen d’éprouvettes usinées, insensible à la présence de rares pores, permet l’identification de propriétés en fatigue d’un matériau virtuellement sain et par étude numérique du matériau avec ses défauts internes. D’autre part, le suivi par thermo-élasticimétrie (associé au couplage thermo-élastique) de surfaces brutes de fabrication permet la détection de l’amorçage de fissure et leur suivi en vue de l’identification d’une loi de propagation. Enfin ces observations sont confrontées au cas d’application d’une structure creuse aux faces internes brutes, à partir de laquelle sont posées les bases d’une démarche de dimensionnement.Additive manufacturing processes act as an alternative to the production of complex geometries and high added value parts. It is the case in the naval industry for which the Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) process is used to fabricate hollow structures. WAAM materials usually show a heterogeneous microstructure, internal defects, a strong residual stress field and rough asbuilt surfaces. The objective of the present work is to propose a method for fatigue life prediction taking into account both the internal defects and the rough asbuilt surfaces. The material parameters of probabilistic models are determined through the use of thermometry in fatigue tests. Firstly, it is shown that the self-heating of machined samples is not affected by the presence of rare pores, allowing for the identification of the fatigue properties of a virtually defect-free WAAM material. Secondly, the use of infrared thermography allows for the detection and the tracking of fatigue cracks on rough as-built surfaces of samples, giving useful information to the modelisation of crack propagation. Finally, these tests results are confronted to the case of a hollow WAAM structures with rough as-built internal surfaces. The fatigue testing of these structures allow to set the basis of a fatigue dimensioning method