Forgeage β du Ti17 : propriétés en fatigue

Bêta-forging of Ti17 : fatigue properties

• Auteur / Autrice : Jérôme Delfosse
• Direction : Colette Rey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse EBSD

Forgeage

Titane -- Alliages -- Rupture

Titane -- Alliages -- Fatigue

Résumé

Les disques des compresseurs basses pressions et les premiers étages des compresseurs hautes pressions fabriqués en Ti17 (alliage de titane biphasé) peuvent présenter un important facteur de dispersion de durée de vie en fatigue. Quelques éléments récents mettent en cause la structure β (c. C. ) héritée du forgeage à haute température. C'est pourquoi les objectifs de cette thèse sont: de comprendre et de modéliser l'évolution de l'orientation cristalline de la phase β de l'alliage de titane Ti17 au cours de la dernière étape de mise en forme qu'est le forgeage β, d'étudier l'impact de l'orientation cristallographique des grains β et des aiguilles α (h. C. ) sur la fatigue, d'analyser les conséquences d'un changement de trajet de déformation sur la texture responsable en partie de la dispersion des durées de vie. De la caractérisation microstructurale et mécanique des différents états de la matière, il ressort une forte évolution microstructurale et cristallographique. En particulier, la matière chauffée et hypertrempée (avant déformation) présente localement des amas millimétriques qui rendent difficile la détermination de la texture (que ce soit par EBSD, DRX ou neutrons). La matière forgée et hypertrempée, quant à elle, présente une texture classique de forgeage et surtout, est constituée de grains regroupés en paquets d'orientation cristallographique proche ainsi que de petits grains recristallisés. La compréhension de l'évolution de l'orientation cristalline des grains pendant le forgeage a nécessité le recours à une simulation numérique du forgeage à l'aide d'une approche cristalline implémentée dans ABAQUS. Un agrégat 3D réel obtenu par acquisitions successives de la morphologie et de l'orientation cristalline des grains par EBSD a servi à cette modélisation et les résultats ont été comparés à ceux d’un agrégat 3D construit et de « texture isotrope ». Les résultats donnent une texture simulée en bon accord avec l'expérience. La formation de domaines cristallographiques de taille millimétrique, composés d'amas de grains présentant une direction <100> ou <111> parallèle à la direction de forgeage, a été retrouvée. Ceci s'explique par la fragmentation et la réorientation des grains prises en compte par notre modèle. Afin de diminuer la taille des domaines cristallographiques un changement de trajet de chargement a été simulé. Le passage par un minimum de texture a été clairement montré. L'étude expérimentale correspondante a révélé le rôle de la vitesse sur la morphologie et la texture. L'étude expérimentale de la fatigue a mis en évidence le rôle d'une population cristallographique d'aiguilles, favorables à la multifissuration. L'orientation cristallographique de ces aiguilles est reliée aux orientations, mises en avant après forgeage, des grains β. La modélisation du comportement local du matériau biphasé, pour des contraintes inférieures à la limite d'élasticité macroscopique, révèle que les premiers systèmes de glissement actifs aux interfaces α/β correspondent aux endommagements observés expérimentalement.

Low cycle fatigue a major concern for rotary components like the compressor disk made in Ti17. The dispersion in fatigue life could be very important and the ex-β grains inherited from the β-forging process seems to implicated. So the goal of this work is to : understand and simulate the crystallographic evolution of the β phase during β-forging - study the impact of crystalline orientation of β grains (bcc)and α plates (hcp) on fatigue - analyse the effects of modifications on the loading path on the texture that party influences the dispersion in fatigue life. A polycrystalline model was used to simulate the β grains evolution during β-forging in an actuel 3D aggregate (determited by EBSD). The texture obtained numerical is in good agrement with experiment. The formation of millimetric crystallographic zones composed of clusters of grains with <100> or <111> direction aligned the forging direction, experimentally observed, is predicted by the model. In order to decrease the size of the crystallographic zones a modification of the loading path was simulated. A minimum of texture is clearly found. The experimental study points out the impact of the strain rate on the morphology texture. The fatigue study has shown that a crystallographic family α plates, related to the forged β grains orientation, tends to favour multiple crack nucleation. Simulation of the local behaviour of α/β microstructure, under macroscopic elastic loading, point out the first active slip systems at α/β interface correspond to the observed crack nucleation