Microstructures et transformations de phases dans l’alliage quasi beta Ti-18 pour applications aéronautiques

Microstructures and phases transformations in near beta titanium alloy Ti-18 for aeronautics applications

• Auteur / Autrice : Émilie Lebrun
• Direction : Frédéric Prima
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des métaux
• Date : Soutenance le 24/04/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris
• Jury : Président / Présidente : Patrick Villechaise
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Švec, Philippe Vermaut, Yvon Millet, Sandra Andrieu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Elisabeth M. Aeby-Gautier, Florence Pettinari-Sturmel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux métastables

Résistance électrique

Microstructure (physique)

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Alliages de titane beta-métastable

Résistivité électrique

Cinétiques de précipitation

Évolution microstructurale

Microstructures bimodales-trimodale

Propriétés mécaniques

Near beta titanium alloy

Electrical resistivity

Transformation kinetics

Microstructural evolution

Bimodal Microstructures

Mechanical properties

Résumé

L’association d’une grande résistance à une faible densité fait des alliages de titane des matériaux privilégiés pour l’aéronautique où le gain de masse et le minimum de maintenance sont des critères majeurs. Dans ce contexte, un nouvel alliage β-métastable a été développé par TIMET, le Ti-18. Le procédé industriel d’élaboration conduisant à l’obtention d’une microstructure bimodale est composé d’une succession de traitements thermomécaniques. La microstructure constituée des phases α globulaire et aciculaire permet d’obtenir un bon compromis entre la résistance mécanique et la ductilité. Le principal objectif de ce travail est de mettre en évidence les effets respectifs des traitements de mise en solution et de revenu sur la microstructure finale. Pour cela, trois facteurs sont étudiés : la vitesse de chauffage, de la température de mise en solution et de la vitesse de refroidissement depuis cette température. Des mesures de résistivité électrique en conditions isothermes permettent de suivre les cinétiques de transformations de phases et tracer le diagramme TTT. La décomposition de la phase β est étudiée à l’aide de mesures de résistivité électrique au cours d’un chauffage continu (25°C-900°C). Ces mesures de résistivité électrique associées à une étude microstructurale approfondie mettent en évidence le lien existant entre les traitements de mise en solution et de revenu : le premier traitement conditionne les changements microstructuraux se produisant au cours du revenu. A partir de ces résultats, une nouvelle microstructure trimodale composée de deux échelles de phase α aciculaire est obtenue et permettrait d’atteindre des caractéristiques mécaniques améliorées.

The combination of high performance-to-density ratio, titanium alloys are among the most attractive materials for aerospace applications where the mass gain criterion and minimum maintenance requirements are the strongest driving forces. In that context TIMET designed a new β-metastable titanium alloy, the Ti-18. The complete industrial process leading to a bimodal microstructure is composed of multistep thermo-mechanical treatments. The bimodal microstructure composed of both globular and acicular α phase provides a good compromise between strength and ductility. The main objective of this work is to highlight the respective effects of two thermal treatment (solution treatment and aging treatment) on the final microstructure. Three factors are considered: the heating rate, solution treatment temperature and the cooling rate from that temperature. Electrical resistivity measurements under isothermal conditions is used to follow the phase transformation kinetics and establish the TTT diagram. The decomposition of β phase is investigated using electrical resistivity measurements during a continuous heating (25°C-900°C). These electrical resistivity measurements associated with microstructural study highlight the relationship between the solution treatment and aging treatment: the first treatment conditions the microstructural changes occurring during aging. From these results, a new trimodal microstructure composed of two scales of acicular α phase is obtained and could be a good solution to improved mechanical properties.