Modélisation d’évolutions microstructurales dans les alliages de titane

Modelling of microstructural evolutions in titanium alloys

• Auteur / Autrice : Sarah Tioual-Demange
• Direction : Benoît Appolaire, Elisabeth M. Aeby-Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Marie Habraken
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Appolaire, Elisabeth M. Aeby-Gautier, Franck Tancret, Delphine Retraint, Denis Solas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Habraken, Franck Tancret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Diffusivité thermique

Transitions de phases

Microstructure (physique)

Traitement thermique

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Modélisation

Évolutions microstructurales

Cinétiques de transformation de phase

Paramètres morphologiques

Alliages de titane

Diffusivité des éléments d’alliage

Énergie de joints de grains

Thermodynamique

Modelling

Microstructural evolutions

Phase transformation kinetics

Morphological parameters

Titanium alloys

Alloying elements diffusivity

Grain boundaries energy

Thermodynamics

Résumé

L’étude réalisée porte sur le calcul des cinétiques de transformation de phase β → α + β et la prédiction des microstructures résultantes au cours des traitements thermiques isothermes appliqués à trois alliages de titane industriels Ti17, Ti6242 et Ti6246 et un alliage ternaire TiMoO, en poursuivant l’enrichissement du modèle TITAN, développé Di Napoli (2010). Nous avons étudié la sensibilité du modèle à plusieurs paramètres d’entrée, en distinguant deux domaines de températures : le domaine des morphologies aux joints de grains αgb + αwgb et le domaine de la morphologie intragranulaire αwi. Parmi ces paramètres : l’épaisseur critique d’apparition de la morphologie αwgb et l’espacement entre les lamelles, afin de déterminer un jeu de données pour les différents alliages et températures étudiées ; les énergies de joints de grains σββ, qui présentent une influence importante sur la germination et la croissance des trois morphologies de phase α ; le rapport d’aspect des sphéroïdes αwi, qui varie en fonction de la température de maintien isotherme ; les paramètres thermodynamiques et les diffusivités des éléments d’alliage, qui contrôlent la recherche de l’équilibre thermodynamique, et dont l’étude a permis de mettre en exergue des évolutions très complexes. L’influence de la température de maintien isotherme et de la composition de l’alliage sur les cinétiques de transformation de phase a également été traitée. Ces études ont permis d’établir un TTT calculé de l’alliage Ti17, en accord avec les résultats expérimentaux.

The present study is mainly about the calculation of β → α + β transformation kinetics and the prediction of resulting microstructures in three industrial titanium alloys Ti17, Ti6242 and Ti6246 and a ternary alloy TiMoO during isothermal heat treatments, by pursuing the development of TITAN model, developed by Di Napoli (2010). A study of the sensitivity of the model to several input parameters is first presented, distinguishing two temperature domains: the domain of morphologies at the grain boundaries αgb + αwgb , and the domain of the intragranular morphology αwi. Among these parameters: the critical thickness of appearance of awgb morphology and the spacing between the lamellae, in order to determine a dataset for the different alloys and temperatures studied; the σββ grain boundary energies, which have a significant influence on the nucleation and growth of the three α phase morphologies; the aspect ratio of the αwi spheroids, which varies according to the isothermal holding temperature; the thermodynamic parameters and diffusivities of the alloying elements, which control the thermodynamic equilibrium, and whose study allowed to highlight complex evolutions. The influence of the isothermal holding temperature and the alloy composition on phase transformation kinetics has also been addressed. These studies allowed to establish a calculated TTT of Ti17 alloy, in agreement with the experimental results.