Oxidation effect on the mechanical behavior of thin component in titanium alloys
Effet de l'oxydation sur le comportement mécanique de structures minces en alliages de titane
Résumé
Titanium alloys are widely used in industrial fields such as aeronautic thanks to their good compatibility with composite materials and their excellent stiffness to weight ratio. During high temperature exposure under air, titanium alloys dissolves large amounts of oxygen. The diffusion of oxygen leads to the formation of an oxygen concentration gradient from the surface to the bulk. The mechanical properties of the affected area differ from those of the original alloy. The study of the impact of these changes on the overall mechanical properties of an oxidized titanium structure is therefore necessary to improve the design of thin components submitted to oxidation. Two titanium alloys, Ti-50A and Ti-50A-6242-Si were investigated. The depth of the zone affected by the oxygen enrichment was first quantified after oxidation tests carried out at various temperatures. The oxygen concentration profiles, the microhardness profiles were determined. The effects of oxygen content on the lattice parameters were analyzed by X-ray diffraction using synchrotron radiation. Vibration tests were performed to determine elastic properties on thin specimens with different thicknesses affected by oxygen enrichment. Tensile and creep tests were carried out from 500 to 600°C to quantify the influence of this oxygen ingress on the mechanical behavior of the two alloys studied. A model is proposed in order to take into account the local oxygen content in the material during creep. This approach is tested on creep tests realized on specific samples. Creep tests on specific samples were used to compare the proposed modeling and experimental results
Les alliages de titane connaissent aujourd’hui un net essor dans les domaines industriels comme l’aéronautique grâce à leur bonne compatibilité avec les matériaux composites et leur très bon ratio rigidité / masse. Leur utilisation concerne des structures thermiquement. Lors d’oxydation, le titane peut voir sa teneur en oxygène augmenter notablement car sa maille alpha présente, à température élevée, une grande affinité pour l'oxygène. La diffusion de l’oxygène conduit à la formation d’un gradient de concentration en oxygène partant de la surface jusqu’au coeur de l’alliage. Cette zone affectée possède des propriétés mécaniques différentes de celles de l’alliage initial. L’étude de l’impact de ces modifications sur les propriétés mécaniques globales d’une structure en titane oxydée s’avère donc nécessaire afin de mieux appréhender le dimensionnement dans les conditions de service. C’est dans cette optique que deux alliages de titane, le Ti-50A et le Ti-6242-Si ont été investigués. La profondeur de la zone affectée par l’enrichissement en oxygène a d’abord été quantifiée après des essais d’oxydation à différentes températures. Les profils de concentration en oxygène, de microdureté y ont été déterminés. Les effets de la teneur en oxygène sur les paramètres de maille ont été analysés en diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron. Dans un second temps, des essais de résonance acoustique, de traction et de fluage réalisés entre 500 et 600°C sur des éprouvettes minces avec différentes épaisseurs de zone affectée ont permis de quantifier les modifications des propriétés mécaniques. Une modélisation de la déformation viscoplastique tenant compte de la teneur locale en oxygène dans le matériau a été proposée. Des essais de fluage sur des éprouvettes spécifiques ont permis de comparer la modélisation proposée et les résultats expérimentaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)