Étude multi-échelle des évolutions microstructurales dans les alliages de titane biphasés déformés à chaud

A multiscale study of microstructural evolutions in hot-deformed two-phase titanium alloys

• Auteur / Autrice : Matheus Brozovic gariglio
• Direction : Nathalie Bozzolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique et Matériaux
• Date : Soutenance le 02/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Prima
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bozzolo, Olivier Castelnau, Maria Cecilia Poletti, Christian Dumont, Jérôme Delfosse, Daniel Humberto Pino Munoz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Castelnau, Maria Cecilia Poletti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse EBSD

Écoulement diphasique

Travail à chaud

Titane -- Alliages -- Rupture

Mots clés libres

Microstructure

Titane

Déformation à chaud

Biphasé

Ebsd

Densité de dislocations

Microstructure

Titanium

Hot deformation

Two-Phase

Ebsd

Dislocation density

Résumé

Les alliages de titane sont beaucoup employés dans l'industrie aéronautique, pour leurs propriétés de résistance à la température et à la corrosion, mais surtout leur faible densité. Ces propriétés sont fortement liées à la microstructure, elle-même issue des opérations de forgeage à chaud mises en œuvre pour fabriquer les pièces. L'optimisation des propriétés nécessite donc de maîtriser l'impact des paramètres thermomécaniques sur les évolutions microstructurales. Le caractère biphasé (α/β) de certains alliages de titane offre, pour une nuance donnée, une très grande variété de microstructures possibles et donc une certaine souplesse dans l'ajustement des propriétés. Deux alliages de titane sont étudiés dans ce travail : l'alliage Ti-6Al-4V (α+β) utilisé dans les turboréacteurs, et l'alliage Ti-10V-2Fe-3Al (β-métastable) utilisé dans les trains d'atterrissage. L'objectif principal de ce travail est d'évaluer et de décrire comment la densité de dislocations se réparti entre les phases α et β, en fonction des paramètres thermomécaniques et de la microstructure initiale. Trois approches distinctes et complémentaires sont mises en œuvre : expérimentales à l'échelle microscopique et à l'échelle macroscopique, ainsi que par simulation numérique. Une grande part des résultats de cette thèse est issue d'analyses microstructurales fines, principalement sous la forme de cartographies d'orientation obtenues par diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD), mais aussi sous la forme de caractérisations tridimensionnelles complémentaires. Des techniques avancées de post-traitement des données EBSD sont utilisées pour évaluer les densités de dislocation à partir des désorientations intragranulaires mesurées. L'approche macroscopique est quant à elle basée sur l'analyse de courbes contrainte-déformation issues d'essais de compression à chaud. Enfin, des simulations de déformation plastique en champ complet sont réalisées sur des microstructures artificielles et expérimentales. La discussion confronte les résultats obtenus par ces trois approches et montre que toute comparaison directe devrait être évitée. Pour chacune des phases, des éléments microstructuraux clés, principalement en termes de texture cristallographique et de recristallisation dynamique, sont donnés en vue de relier ces approches pour avoir une meilleure estimation de la densité de dislocations, donc des évolutions microstructurales. Ces travaux apportent des éléments pour mieux comprendre le comportement des alliages de titane, aidant les partenaires financiers industriels (Airbus, Aubert & Duval, Safran et Timet) à optimiser le procédé de forgeage.

Titanium alloys are widely used in the aeronautical industry, thanks to their properties of resistance to temperature and corrosion, but above all their low density. These properties are strongly linked to the microstructure, itself resulting from the hot forging operations implemented to manufacture industrial parts. The optimization of the properties therefore requires controlling the impact of the thermomechanical parameters on the microstructure evolution. The two-phase (α/β) nature of certain titanium alloys offers, for a given grade, a very wide variety of possible microstructures, thus a certain flexibility in the adjustment of the properties. Two titanium alloys are studied in this work: the Ti-6Al-4V (α+β) alloy used in turbojet, and the Ti-10V-2Fe-3Al (metastable-β) alloy used in landing gears. The main objective of this work is to evaluate and describe how the dislocation density is distributed between the α and β phases, depending on the thermomechanical parameters and the initial microstructure. Three distinct and complementary approaches are implemented: experimental at the microscopic and at the macroscopic scale, as well as by numerical simulation. A large part of the results of this thesis come from fine microstructural analyses, mainly in the form of orientation maps obtained by electron backscattered diffraction (EBSD), but also in the form of complementary three-dimensional characterizations. Advanced EBSD data post-processing techniques are used to assess dislocation densities from measured intragranular misorientations. The macroscopic approach is based on the analysis of stress-strain curves from hot compression tests. Finally, full-field plastic deformation simulations are performed on artificial and experimental microstructures. The discussion confronts the results obtained by these three approaches and shows that any direct comparison should be avoided. For each of the phases, key microstructural elements, mainly in terms of crystallographic texture and dynamic recrystallization, are given in order to link these approaches to better estimate the dislocation density, therefore of microstructure evolution. This work provides elements for a better understanding of the behavior of titanium alloys, assisting the industrial financial partners (Airbus, Aubert & Duval, Safran and Timet) to optimize the forging routes.