ELABORATION ET CARACTERISATION MECANIQUE DE COMPOSITES A MATRICE TITANE RENFORCES PAR DES PARTICULES DE TIC

PREPARATION AND MECHANICAL CARACTERISATION OF TITANIUM METAL MATRIX COMPOSITES REINFORCED WITH TIC PARTICULES

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Fruhauf
• Direction : Christophe Desrayaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 29/10/2012
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Rhéologie, Microstructure, Thermomécanique
• Jury : Président / Présidente : Marc Huger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Desrayaud, Marc Huger, Roland Logé, Guy Dirras, Sophie Gourdet, Jean-Claude Viala, Frank Montheillet, Sébastien Saunier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roland Logé, Guy Dirras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion (mécanique)

Compression isostatique

Frittage (métallurgie)

Métallurgie des poudres

Composites à matrice métallique

Carbure de titane

Titane

Mots clés libres

COMPOSITES A MATRICE TITANE

PARTICULES DE TIC

FRITTAGE

COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD

FILAGE

EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

CARACTERISATION MECANIQUE

SIMULATION PAR ELEMENTS FINIS

Titanium matrix composite

TiC particles

Sintering

Hot isostatic pressing

Extrusion

Microstructure evolution

Mechanical characterization

Modelling

Finite elements

Résumé

Les propriétés spécifiques du titane en font un matériau de choix pour remplacer l’acier dans des applications où le poids est un paramètre de conception important. cependant, contrairement à l’acier, le titane souffre de mauvaises propriétés tribologiques. c’est pour répondre à cette problématique qu’il est envisagé de développer des composites à matrice métallique (cmm) titane renforcée par des particules de carbure de titane. dans le cadre de ce projet, plusieurs nuances de cmm à matrice ti ou ti-6al-4v contenants différentes fractions volumiques de particules de tic ont été élaborées par métallurgie des poudres. trois procédés ont été employés : le frittage libre, la compression isostatique à chaud et le filage. les différentes nuances ont ensuite été caractérisées du point de vue microstructurale (taux de densification, taille des grains) et mécanique (traction). la confrontation des résultats a permis d’établir un lien entre microstructure et propriétés mécaniques. dans l’optique d’étudier la mise en forme mais également d’améliorer les propriétés mécaniques, un post-traitement de type forgeage a été appliqué à la suite de la phase d’élaboration. excepté dans le cas des cmm filés, la présence de renforts entraîne l’apparition d’endommagement lors de la déformation à chaud. nous avons alors déterminé les conditions de forgeage les plus adaptées selon les nuances.finalement, à travers un travail de modélisation analytique et de simulation numérique par méthode d’homogénéisation, nous avons déterminé les grandeurs mécaniques (module de young et limite d’élasticité) et prévu la loi de comportement des cmm en traction.

The specific properties of titanium make it a key material for the replacement of steel in weight dependent applications. however, unlike steel, titanium suffers from poor wear resistance. in order to improve this weakness, it is proposed to develop titanium metal matrix composites (mmc) reinforced with titanium carbide particles.to this end, ti and ti-6al-4v mmc were prepared with reinforcement fractions ranging from 5 percent to 20 percent using three powder metallurgy techniques: free sintering, hot isostatic compression and extrusion. the composites were then characterized from a microstructural (density, grain size) and a mechanical (tensile test) point of view. by comparing the results, it was possible to establish a relationship between microstructural features and mechanical properties.following their preparation, the composites were subjected to a forging step in order to study their behavior during hot deformation and to further improve their mechanical properties. the presence of particles induces the apparition of damage during hot deformation. therefore, we determined the best forging for the different composites whilst taking microstructure into account.finally, through analytical modeling and numerical simulations, we determined the young modulus, the yield stress and predicted the behavior of a mmc during a tensile test.