Titanium Metal Matrix composites (TiMMC) is a new class of material. The enhanced properties of TiMMC provide it with many advantages over titanium alloys. TiMMC is a material of the future and has many potential applications in the aeronautical sector, as in the turbines’ cold section parts, and in biomedical applications, for example in bone transplants where a sliding/rubbing action is present. Turbine engine manufacturers already show a great interest in TiMMC for future applications. However, TiMMC requires machining in order to be used as part of an assembly, but the abrasive action of the added ceramic TiC particles, combined with the problems of cutting titanium alloys, make it a very difficult to cut material. Therefore, the tool life is limited, due to the abrasion wear from the hard particles and to the diffusion wear due to the high temperature of the tool-chip interface that characterizes the cutting of titanium alloys.

When machining, tool life, and surface roughness are major concerns for industrials. In order to optimize the machining of TiMMC, three approaches (stages) were used. First, a TAGUCHI method for the design of experiments was used in order to identify the effects of the machining inputs (speed, feed, depth) to the output (cutting forces, surface roughness). To enhance even further the tool life, Laser Assisted Machining (LAM) was also experimented. In a second approach, and in order to better understand the cutting mechanism of TiMMC, the chip formation was analyzed and a new model for the adiabatic shear band in the chip segment was developed. In the last approach, and in order to have a better analysis tool to understand the cutting mechanism, a new constitutive model for TiMMC for simulation purposes was developed, with an added damage model. The FEM simulations results led to predictions of temperature, stress, strain, and damage, and can be used as an analysis tool and even for industrial applications.

In the literature, no research studies are found on the machining of TiMMC. The first experimental approach of this current research is the only study to provide practical recommendations for determining the cutting parameters and for evaluating different cutting tools for machining TiMMC. Following experimental work and analysis, I found that cutting TiMMC at higher speeds is more efficient and productive because it increases tool life. This is in opposition to most materials, where higher cutting speeds reduce tool life. This phenomenon of efficient cutting at higher speeds was explained by the different tool/particles behavior. It was found that at higher speeds, fewer hard TiC particles are broken, resulting in reduced tool abrasion wear. In order to further optimize the machining of TiMMC, an unconventional machining method was used. In fact, Laser Assisted Machining (LAM) was used and was found to increase the tool life by approximately 180 %. To understand the effects of the particles on the tool, micro scale observations of hard particles with SEM microscopy were performed and it was found that the tool/particle interaction while cutting can exist under three forms. The particles can either be cut at the surface, pushed inside the material, or even some of the pieces of the cut particles can be pushed inside the material. No particle de-bonding was observed.

Some alloys produce segmented chips when machined. Segmented chips lead to the fluctuation of the cutting forces and to the possible vibration of the cutting tool, both of which may negatively affect the finished surface. Since cutting TiMMC involves segmentation in the chips;​ the second approach of this research was aimed at the understanding of the Adiabatic Shear Band (ASB) formation in the segmented chips. In the literature different opinions exist for the location at which crack initiation occurs. To understand the chip formation and study the crack initiation in the segmentation process when cutting TiMMC, I designed a new “Quick Stop Device” which was used to freeze the cutting action. The new device has multiple advantages over other models found in the literature in terms of efficiency and safety. Furthermore, using a multi-scale (macro and nano) analysis with Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM), a new model for the microstructure and grain evolution inside the ASB was developed. This new model is the first of a kind to be developed for TiMMC and is based on observations of grains and dislocations at the atomic scale. The model shows that inside the ASB, new nano-grains and nano-cells characterized by a low dislocation density are formed. However, no phase transformation was found in the ASB.

In the last approach of the research project, a FEM tool was used to analyze the different physical parameters (such as temperature, stress, strain and damage) involved when machining TiMMC. In the literature, the simulation of the machining of TiMMC has never been performed. Therefore, a new constitutive model was developed using room and high temperature cutting data, and tensile tests. To simulate the segmentation process, a damage model was added. The damage model is based on the work required in a tensile test until fracture occurs. The model gave good predictions for the geometry of chip segmentation and for the cutting forces. In order to have a better understanding of the effect of LAM on the cutting mechanism, the LAM heat source was simulated and embedded in the same FEM simulation model. Simulations of segmented chips with LAM have never been done before for TiMMC and for any other material. The analysis of the FEM simulation gave unexpected results, and showed that although LAM does indeed increase the overall chip temperature, the peak tool/chip temperature decreases. This could explain the experimental finding of increased tool life when using LAM. Further analysis showed that the phase transformation temperature wasn’t reached inside the chips. This was also shown experimentally with TEM observations. To study the damage and the segmentation sequence, an analogy was made between the FEM model and the experimental chip formation. In both cases the crack initiation, or damage, was never shown to occur at the tool tip. Analysis of incremental steps in FEM simulation showed that the damage occurs in a cyclic manner in the middle of the segment, then at the free surface.

The research project led to various contributions to knowledge in terms of experimental findings, mechanical design, microstructure model, and FEM modeling. In other words, the contributions involved new cutting recommendations for TiMMC, the development of a new ‘quick stop device”, the development of a new model for microstructure evolution in the ASB and the development of a new FEM model for TiMMC involving LAM and segmentation. The results of this research will serve engineers in the optimization and analysis of TiMMC machining, and can be used as a prediction tool for the machining of TiMMC. Therefore, costly trials and errors in machining experiments will be avoided. Consequently, this research will promote the applications of TiMMC for many industries, and will have a positive impact on the Canadian economy. This project led to the publication of 10 papers.

Les composites à matrice métallique de titane (CMMTi) sont une nouvelle classe de matériaux. Le CMMTi possède les caractéristiques des alliages de titane (légèreté, résistance et biocompatibilité) tout en ayant des propriétés physiques accrues lui conférant des avantages sur les alliages de titane. Ses nombreuses applications potentielles dans différents secteurs industriels tels l’aéronautique et le domaine biomédical en font un matériau de l’avenir. Déjà, certains fabricants de turbines montrent un grand intérêt pour de futures applications. Dans le domaine biomédical, le CMMTi offre un avantage pour les greffes osseuses présentant une action de glissement/frottement. Par contre, le CMMTi doit être usiné avant d'être utilisé comme pièce ou partie d'un assemblage, mais les particules solides de céramique ajoutées à l’alliage de titane rendent son usinage très difficile. De plus, l'intégrité de la surface du matériau après usinage est de première importance avant son utilisation dans un assemblage mécanique. La vie de l'outil est donc limitée en raison de son usure par l’action abrasive des particules dures, ainsi qu’à cause de la diffusion en raison de la température élevée de l'interface outil-matériau.

Lors de l'usinage, la durée de vie de l'outil et la rugosité de la surface de la pièce sont des préoccupations majeures pour les industriels. Trois approches ont été élaborées afin d'optimiser les paramètres d’usinage du CMMTi. La première approche expérimentale consiste en une méthode de planification d’expériences (TAGUCHI) utilisée afin d’identifier les effets des paramètres de coupe (vitesse, avance, et profondeur de coupe) sur les forces de coupe, la rugosité de surface, et l’usure de l’outil. Dans une deuxième approche, et afin de mieux comprendre le mécanisme de coupe du CMMTi, la formation de copeaux lors de la coupe a été analysée et un nouveau modèle de la bande de cisaillement adiabatique a été développé. Dans la dernière approche, et pour obtenir un meilleur outil d'analyse pour la compréhension du mécanisme de coupe, un nouveau modèle constitutif du CMMTi a été développé, en utilisant un modèle d’endommagement, à des fins de simulation. Les résultats des simulations de Modèle d’Élément Fini (MEF) ont permis de prévoir la température, les contraintes, les déformations et l’endommagement du matériau. Ces dernières informations peuvent être utilisées pour l'analyse de l’usinage ainsi que pour des applications industrielles.

Dans la littérature, il n'y a pas d'études antérieures concernant l’usinage du CMMTi. Dans la première approche expérimentale, la présente thèse est la première recherche qui a abouti à des recommandations pratiques pour les choix des paramètres de coupe et pour l'évaluation des outils de coupe lors de l'usinage du CMMTi. À la suite de travaux expérimentaux et d’analyses, il a été trouvé que couper le CMMTi à haute vitesse est un procédé plus efficace et plus productif, puisque cela augmente la durée de vie de l'outil. Cela est en opposition avec la plupart des matériaux, où la durée de vie de l’outil diminue avec l’augmentation de la vitesse de coupe. Ce phénomène de coupe efficace à des vitesses élevées s'explique par le différent comportement des particules-outil à haute vitesse. En effet, à des vitesses plus élevées, moins de particules dures de TiC sont cassées, ce qui réduit l’usure de l’outil par abrasion. Afin d'augmenter encore plus la durée de vie de l'outil, une méthode d’usinage non conventionnelle a été utilisée. Cette méthode d’Usinage Assisté par Laser (UAL) a augmentée d'environ 180 % la durée de vie de l'outil. Pour comprendre les effets des particules sur l’usure des outils, des observations à l'échelle microscopique des particules dures par microscopie électronique à balayage (MEB) ont été effectuées, et l'interaction de l'outil-particules lors de la coupe a été identifiée. Cette dernière peut exister sous trois formes. Les particules peuvent être coupées à la surface, poussées à l'intérieur du matériau, ou même certains des morceaux des particules coupées peuvent être poussés à l'intérieur du matériau. Aucun cas d’arrachement de particules n’a été observé.

Certains alliages produisent des copeaux segmentés lorsqu’ils sont usinés. Les segmentations conduisent à la fluctuation des forces de coupe et à des vibrations possibles de l'outil de coupe, ce qui peut affecter négativement la surface finie. Étant donné que le découpage du CMMTi implique des segmentations dans les copeaux;​ la deuxième approche de ce projet de recherche a été centrée sur la compréhension de la formation de bandes de cisaillement adiabatique (BCA) dans les copeaux segmentés. Dans la littérature, différentes opinions existent pour le lieu de commencement des fissures dans le copeau. Pour comprendre la formation du copeau et l’initiation des fissures dans le processus de segmentation lors de la coupe du CMMTi, j'ai conçu un nouveau « Quick Stop Device» (QSD) qui a été utilisé pour immobiliser l'action de coupe. Le nouveau dispositif possède plusieurs avantages par rapport aux autres modèles trouvés dans la littérature en termes d'efficacité et de sécurité. En outre, à l'aide d'une analyse multiéchelle (macro et nano) en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB) et microscopie électronique à Transmission (TEM), un nouveau modèle pour l'évolution de la microstructure des grains à l'intérieur des BCA a été élaboré. Ce nouveau modèle est le premier à être développé pour le CMMTi, et est basé sur des observations des graines et des dislocations à l'échelle atomique. Le modèle montre que des nouveaux nano-grains et sous-grains, caractérisés par une faible densité de dislocation, sont formés à l'intérieur des BCA. Cependant, aucune transformation de phase n’a été observée dans la BCA.

Dans la dernière approche du projet de recherche, une Méthode d’Éléments Fini (MEF) a été utilisée afin d'analyser les différents paramètres physiques (comme la température, les contraintes, la déformation, et l’endommagement) impliqués lors de l'usinage du CMMTi. Dans la littérature, la simulation d'usinage du CMMTi n’a jamais été réalisée, donc un nouveau modèle de comportement constitutif a été développé à l'aide de données de forces de coupe et des essais de traction. Pour simuler le processus de segmentation, un modèle d’endommagement a été ajouté. Ce modèle a donné de bonnes prédictions de la géométrie des segmentations du copeau et des forces de coupe. Afin d'avoir une meilleure compréhension de l'effet de l’UAL sur le mécanisme de coupe, la source de chaleur de l’UAL a été simulée et incorporée dans le même modèle de simulation par MEF. La simulation de copeaux segmentés avec l’UAL n’a jamais été faite auparavant pour le CMMTi, ni pour aucun autre matériau. L'analyse de la simulation par MEF a montré que l’UAL augmente la température globale du copeau, mais qu’il diminue la température maximale de l’interface outil/copeau. Cela explique l'augmentation de la durée de vie de l'outil lors de l'utilisation de l’UAL qui a été constatée expérimentalement. Une analyse plus approfondie a démontré que la température de transformation de phase n'est pas atteinte à l'intérieur les copeaux, ce qui a été également observé expérimentalement par TEM. Afin d'étudier l’endommagement et la séquence de la segmentation, une analogie a été faite entre la simulation du MEF et la formation de copeaux observée expérimentalement. Dans les deux cas, le commencement de la fissure ou de l’endommagement ne s’est jamais produit à l'extrémité de l'outil. Des analyses progressives dans la simulation du MEF ont montré que l’endommagement se produit de façon cyclique au milieu du segment, puis à la surface du matériau.

Ce projet de recherche a mené à diverses contributions en termes de résultats expérimentaux, de conception mécanique, de modèle de microstructure et de modélisation par MEF. En d'autres termes, les contributions sont:​ de nouvelles recommandations de coupe pour le CMMTi, le développement d'un nouveau QSD, le développement d'un nouveau modèle pour l'évolution de la microstructure de la BCA, le développement d'un nouveau modèle d’élément fini pour le CMMTi avec UAL et segmentations. Les résultats de cette recherche aideront les ingénieurs pour l'optimisation et l'analyse de l'usinage du CMMTI, et serviront également d’outil de prédiction d’usinage. Par conséquent, cette recherche va promouvoir de nouvelles applications pour le CMMTi pour de nombreuses industries et donnera un impact favorable sur l'économie canadienne. Les résultats de cette recherche ont mené à la publication de 10 articles.