Spark plasma sintering de composites base titane renforcés par des carbures pour applications en tribocorrosion

Spark plasma sintering of titanium based composites reinforced with carbides for tribocorrosion applications

• Auteur / Autrice : Glenda Tsholofelo Motsi
• Direction : Claude Estournès, Sophie Guillemet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Trichites (cristaux)

Spark plasma sintering (métallurgie)

Mots clés libres

CP-Ti

Composites à matrice de titane

SPS

Propriétés mécaniques

Tribocorrosion

CP-Ti

Titanium matrix composites

SPS

Mechanical properties

Tribocorrosion

Résumé

La faible résistance à l'usure du titane et de ses alliages limite leur application dans laquelle l'effet combiné de l'usure et de la corrosion peut être rencontré. À cet égard, l'ajout de phases céramiques sous forme de whiskers (TiB) ou de particules (TiB2 et TiC) dans une matrice à base de titane pour former des composites avancés à matrice de titane (TMC), peut aider à réduire les pertes de matériau et à prolonger la durée de vie. Dans cette étude, les composites de titane à base de TiB2, TiB et TiC ont été produits par Spark Plasma Sintering (SPS) réactif de titane pur commercial (CP-Ti) et de poudres B4C de différentes tailles de particules. On s'est rendu compte qu'à une température de consigne de 800°C, la réaction avait commencé en raison des avantages du courant pulsé dans le SPS. L'analyse SEM / FIB / TEM sur le matériau fritté à 800°C a montré une phase grise continue, constituée d'amas de particules de B4C partiellement réagies ségrégés aux joints des grains de la matrice Ti. À 1100°C, les réactifs ont complètement réagi et se sont transformés en clusters de divers composés riches en B et C (Ti-B et Ti-C). L'homogénéisation de la microstructure a été obtenue à des temps de séjour de 0 à 30 min pour éliminer les amas formés. Le comportement en corrosion et en tribocorrosion du CP-Ti et des TMC a été étudié dans des solutions 3,5% molaire de NaCl. Les résultats ont montré qu'une quantité croissante des phases de renforcement à 5% en poids réduisait la sensibilité à la corrosion et à la tribocorrosion des TMC frittés à 1100°C, car les valeurs de potentiel en circuit ouvert étaient positivement décalées pour Ti5wt% B4C. De graves dommages à la surface avec des rainures profondes dans CP-Ti ont été observés dans les pistes usées indiquant une usure adhésive. Aucun retrait des phases de renforcement TiB et TiC n'a été observé pour Ti5wt% B4C, en raison de la forte force de liaison interfaciale avec la matrice Ti.

The poor wear resistance of titanium and its alloys limit their application in which the combined effect of wear and corrosion may be encountered. In this regard, addition of ceramic phases in the form of whiskers (TiB) or particles (TiB2 and TiC) in titanium based matrix to form advanced titanium matrix composites (TMCs), can aid reduce material loss and prolong the service life. In this study TiB2, TiB and TiC based titanium composites were produced by reactive Spark Plasma Sintering (SPS) of commercial pure titanium (CP-Ti) and B4C powders of varying particles sizes. It was realized that at 800°C set-point temperature the reaction had initiated due to the benefits of pulsed current in the SPS. SEM/FIB/TEM analysis on the material sintered at 800°C showed a continuous grey phase, constituted of clusters of partially reacted B4C particles segregated at Ti matrix grain boundaries. While at 1100°C, the reactants completely reacted and transformed into clusters of various compounds high in B and C (Ti-B and Ti-C). Microstructure homogenization was achieved at dwell times of 0-30 min to remove the formed clusters. Corrosion and tribocorrosion behaviour of CP-Ti and TMCs was investigated in solutions 3.5% molar of NaCl. The results showed that increasing amount of the reinforcing phases to 5wt% reduced the corrosion and tribocorrosion susceptibility of the TMCs sintered at 1100°C, as the open circuit potential values were positively shifted for Ti5wt%B4C. Severe surface damage with deep grooves in CP-Ti was observed in worn tracks indicating adhesive wear. No pulling out of TiB and TiC reinforcing phases was observed for Ti5wt%B4C, due to the strong interfacial bond strength with the Ti matrix.