Etude de l'oxydation à chaud d'échantillons en alliage TA6V élaborés par fabrication additive. Conséquences sur les propriétés mécaniques.

Study of high temperature oxidation of titanium alloy Ti-6Al-4V fabricated by additive manufacturing. Consequences on mechanical properties

• Auteur / Autrice : Antoine Casadebaigt
• Direction : Daniel Monceau, Jonathan Hugues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 03/11/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Monceau, Jonathan Hugues, Florence Pettinari-Sturmel, Jérôme Crépin, Sébastien Chevalier, Eric Hug, Yannick Cadoret, Sandy Blanc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Crépin, Sébastien Chevalier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Impression 3D

Oxydation

Titane

Mots clés libres

Fabrication Additive

TA6V

Oxydation

Propriétés mécaniques

Titane

Additive Manufacturing

Ti-6Al-4V

Oxidation

Mechanical properties

Titanium

Résumé

En associant fabrication additive (FA) et usage des alliages de titane, d’importantes réductions de masse et de coût sont possibles dans l’aéronautique et le spatial. Mais lorsque les alliages de Ti sont utilisés à des températures de plusieurs centaines de degrés, cela peut entrainer une fragilisation par l’oxygène. Dans cette thèse, le comportement en oxydation ainsi que l’influence de la FA et de l’oxydation sur les propriétés mécaniques de l’alliage de titane TA6V élaboré par LBM et EBM ont été étudiés. Des oxydations ont été effectuées de 400 à 600 °C pour des durées de 25 à 10 000 h. La cinétique globale d’oxydation, la croissance de la couche d’oxyde et la diffusion de l’oxygène dans le métal ont été caractérisées. Quatre méthodes de caractérisation de la diffusion de l’oxygène dans le métal ont été comparées. Il a été observé que l’oxydation des grains de poudre présents à la surface des échantillons bruts de FA augmente les gains de masse de façon importante. Cependant, il a été montré que la rugosité élevée des pièces de FA ainsi que l’importante modification de microstructure induite par le traitement CIC, n’ont pas d’influence sur la croissance de la couche d’oxyde ainsi que sur la diffusion de l’oxygène dans le métal. L’utilisation de l’analyse thermogravimétrique anistoherme a permis d’obtenir les cinétiques d’oxydation de 450 à 1000 °C en une seule expérience. Il a ainsi été montré que les cinétiques d’oxydation des TA6V LBM et EBM sont proches d’un TA6V conventionnel et des données de la littérature. Le gain de masse plus élevé du TA6V comparé au Ti6242 provient de la couche d’oxyde plus épaisse alors que la zone de diffusion de l’oxygène est équivalente. Cette zone de diffusion de l’oxygène se fissure durant les essais de traction et réduit légèrement la ductilité des éprouvettes de 1,3 mm d’épaisseur oxydées 2 000 h à 500 et 538 °C et 500 h à 600 °C. Dans les conditions d’oxydation étudiées, les cinétiques d’oxydation des TA6V LBM, EBM et conventionnel sont proches, et l’oxydation influence peu les propriétés mécaniques en traction à température ambiante.

By combining additive manufacturing (AM) and titanium alloys, high mass and cost savings in aeronautic and space fields can be achieved. For these applications, titanium alloys can be used at high temperatures, up to 300-600°C depending on the alloy, and this can induce oxygen embrittlement. In this thesis, oxidation behaviour and influence of AM and oxidation on mechanical properties of Ti-6Al-4V titanium alloy fabricated by LBM and EBM were studied. Oxidations were performed from 400 to 600 °C and last between 25 and 10 000 h. Global oxidation kinetics, oxide layer growth rate and oxygen diffusion in the metal were characterized. Four characterizations methods of oxygen diffusion in the metal were compared. It was shown that oxidation of powder particles on the surface of as-built AM samples increases the mass gains. Nevertheless, high roughness of AM parts and HIP treatment, which one highly modified the alloy microstructure, do not influence oxide layer growth rate and diffusion of oxygen in the metal. Using thermogravimetric analysis allowed to obtain oxidation kinetics from 450 to 1 000 °C during a single experiment. With this method, it was shown that oxidation kinetics of LBM and EBM Ti-6Al-4V are close to conventionally processed Ti-6Al-4V and literature data. Higher mass gain of Ti-6Al-4V compared to Ti6242 comes from a thicker oxide layer whereas the oxygen diffusion zone is similar. This oxygen diffusion zone cracks during tensile tests, decreasing the ductility of 1.3 mm thick tensile specimens oxidized for 2000 h at 500 and 538 °C and 500 h at 600 °C. In the oxidation conditions studied, oxidation kinetics of LBM, EBM and conventionally processed Ti-6Al-4V are close to each other and oxidation influences only slightly tensile properties at room temperature.