Étude d'un nouvel alliage de titane tolérant à l'oxygène

Study of new oxygen-tolerant titanium alloys

• Auteur / Autrice : Fabienne Amann
• Direction : Frédéric Prima, Ivan Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie Structurale (MS)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Godet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amélie Juhin, Céline Varvenne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Doquet, Philippe Castany

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Effets de la chaleur

Titane

Science des matériaux

Mots clés libres

Titane

Oxygène

Ductilité

Mécanismes de déformation

Mise en ordre

Stabilité thermique

Titanium

Oxygen

Ductility

Deformation mechanisms

Ordering

Thermal Stability

Résumé

Parmi les diverses questions importantes qui touchent à la métallurgie du titane, la perte de ductilité induite par l'ajout d'oxygène, même dans de faibles proportions, reste l'une des plus critiques, limitant ainsi la teneur en oxygène à 0,4% massique. Cependant, l'alliage Ti-4,5Zr-0,6O (mass%) montre un très bon compromis de résistance mécanique et de ductilité. De plus, une mise en ordre de l'oxygène est observée dans cet alliage bien que la quantité d'oxygène ajoutée soit bien inférieure à la solubilité connue de 13% massique. La partition de l'oxygène entre les domaines ordonnés et la solution solide est donc questionnée. Dans cette étude, la température de transition ordre / désordre a été déterminée à environ 450°C, mais un traitement thermique au-delà de cette température suivi d'un refroidissement, bien que très rapide, donne tout de même lieu à la formation de nano-domaines ordonnés. Ces derniers seraient donc formés par un processus athermique, ce qui expliquerait le faible enrichissement en oxygène mesuré. Cette mise en ordre ''athermique'' s'oppose à la mise en ordre formée au cours d'un traitement thermique dans le domaine de stabilité (en dessous de 450°C) et qui donne lieu à des domaines ordonnés de plus grande taille. A cette température critique (400-500°C) sont également mis en évidence des phénomènes de vieillissement dynamique, ce qui motive à poursuivre les études sur cette mise en ordre qui semble jouer un rôle important dans les mécanismes de déformation et pourrait peut-être ouvrir la voie à de nouvelles stratégies pour des applications à hautes températures, à travers le développement de ces alliages riches en oxygène.

Among the various important issues affecting titanium metallurgy, the loss of ductility induced by the addition of oxygen, even in small proportions, remains one of the most critical, limiting the oxygen content to 0.4 mass%. However, the Ti-4.5Zr-0.6O alloy (mass%) displays a trade-off between mechanical strength and ductility. In addition, oxygen ordering is observed in this alloy, although the amount of oxygen added is well below the known solubility of 13 mass%. The partitioning of oxygen between the ordered domains and the solid solution is therefore questioned. Furthermore, while the order / disorder transition temperature has been determined to be around 450°C, heat treatments above this temperature followed by a very rapid cooling still result in the formation of ordered nano-domains. These objects would be formed by an athermal process, which could explain the low enrichment measured. This ''athermal'' ordering contrasts with the observed ordering during heat treatments in the stability range (below 450°C), which give rise to larger ordered domains. Finally, dynamic strain ageing phenomena revealed for a certain range of temperature and deformation rate motivate further studies on this ordering, which could pave the way for new strategies for high-temperature applications through the development of these ''oxygen-rich'' titanium alloys.