Caractérisation de la tenue mécanique en fatigue de pièces en alliage de titane Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr contenant des défauts

Characterisation of the fatigue life of parts made of Ti-5Al-5V-5Mo-3Cralloy in the presence of controlled defects

• Auteur / Autrice : Benoit Voillot
• Direction : François Hild
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 19/03/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Ning Ji
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Hild, Vincent Ning Ji, Yves Nadot, Sylvain Calloch, Franck Morel, René Billardon, Francis Soniak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yves Nadot, Sylvain Calloch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique -- Recherche

Indentation des matériaux

Titane -- Alliages -- Fatigue

Mots clés libres

Alliage de titane beta-Métastable

Durée de vie

Amorçage

Intégrité de surface

Indentation

Rayure

Β-Métastable titanium alloy

Fatigue life

Initiation

Surface integrity

Indent

Scratch

Résumé

L’objet de cette étude est la tenue en fatigue de la tige coulissante d’une jambe de train d’atterrissage fabriquée par SAFRAN Landing Systems. L’alliage utilisé pour réaliser cette pièce forgée est la nuance de titane haute performance Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553). Pour assurer les meilleures caractéristiques en service, ces pièces subissent différents traitements mécaniques dont un grenaillage qui améliore la tenue mécaniques du matériau en proche surface. L’homogénéité du grenaillage dépend de la géométrie de la pièce. La connaissance des contraintes résiduelles résultant de ce traitement est un paramètre important qui influence la durée de vie en fatigue. La microstructure biphasée du matériau rend les estimations de contraintes difficiles sur ce matériau. Un protocole complet d’analyse de contraintes par diffraction des rayons-X a été mis en place et validé par test in-situ. Il a ensuite permis d’obtenir des estimations quantitatives de contraintes résiduelles sur les éprouvettes testées dans ce travail. L’alliage Ti5553 a la particularité de présenter une très haute limite élastique pour une tenacité plus faible. Les pièces actuelles sont dimensionnées par leur résistance à l’amorçage sans défaut de surface. Pour exploiter au mieux les performances de cet alliage, il faut affiner la connaissance du processus d’amorçage en présence de défauts. Plusieurs types d’analyses et essais ont été réalisés (comportement élasto-plastique, étude de l’amorçage et de la propagation de fissure). En particulier, des essais sont effectués sur des éprouvettes présentant des faces et des coins avec des rayures usinées ou des indentations. L’influence de ces défauts sur la durée de vie en fatigue est analysée en fonction de leur type, de leur taille et du grenaillage.

The prediction of the fatigue life of sliders made by SAFRAN Landing Systems is the goal of this work. To manufacture big forged parts, high performance Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553) alloy is used.To ensure the in-service life, various mechanical treatments are carried out. Shot-peening at the end of the process is of prime importance in order to improve the mechanical performance. The knowledge of residual stresses resulting from this treatment is necessary to understand fatigue results for all part location. The two-phase microstructure of the alloy makes stress analyses difficult. A complete protocol to analyse stresses by X-ray diffraction has been developed and validated through in-situ test. The Ti5553 alloy exhibits high yield stress coupled with weaker toughness. Lifing of parts made of Ti5553 is currently carried out with no specific account of surface defects. To improve the knowledge of initiation processes in this alloy in the presence of defects, various tests have been carried out (elasto-plastic behavior, crack initiation and propagation studies). Tests are carried out on coupons with faces and edges with calibrated defects (i.e., machined scratches and indents). The influence of such defects on the fatigue lifetime are studied in terms of type, size and shot-peening level.