Interactions fatigue-fluage-oxydation du Ti-6242S : étude expérimentale et modélisation du comportement mécanique de la zone affectée par l’oxydation

Creep-fatigue-oxidation interactions of Ti-6242S : experimental study and modelling of the mechanical behaviour of the zone affected by oxidation

• Auteur / Autrice : Kevin Cave
• Direction : Dominique Poquillon, Damien Texier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• 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 : Dominique Poquillon, Damien Texier, Florence Pettinari-Sturmel, Patrick Villechaise, Philippe Castany, Jean-Yves Buffière, Emmanuel Fessler, Brigitte Bacroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Villechaise, Philippe Castany

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermique

Thèses et écrits académiques

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Alliages de titane

Microstructure

Vieillissement métallurgique

Oxydation

Diffusion

Haute température

Couplage oxydation-mécanique

Fragilisation par l'oxygène

Éprouvettes minces

Traction

Fatigue

Fatigue-fluage

Corrélation d'images numérique (CIN)

Éléments finis

Industrie Aéronautique

Titanium alloys

Microstructure

Metallurgical ageing

Oxidation

Diffusion

High temperature

Oxidation-mechanics coupling

Oxygen embrittlement

Thin specimens

Tensile

Fatigue

Creep-fatigue

Digital image correlation (DIC)

Finite elements

Aeronautics industry

Résumé

Dans un monde où l’on cherche à optimiser les coûts aussi bien économiques qu’environnementaux, la réduction de la masse des structures représente une voie attractive. L’utilisation de parois minces, d’alliages plus légers comme ceux du titane peuvent y contribuer. Néanmoins, la forte limite de solubilité de ces alliages avec l’oxygène en limite la température d’utilisation. Dans cette thèse, le comportement en oxydation d’un alliage Ti-6242S a été étudié entre 538 et 650 °C. Différentes méthodes de caractérisation ont été utilisées pour y préciser la diffusion de l’oxygène. Cette première partie des travaux a permis de définir des traitements thermiques de pré-oxydation conduisant aux zones enrichies en oxygène souhaitées sur les éprouvettes des essais mécaniques réalisés à 450 et 550°C. Des tests ont, d’une part, été réalisés sur éprouvettes minces (0,1 à 1 mm d’épaisseur) pour caractériser le comportement en traction de la zone enrichie en oxygène et, d’autre part, des essais de fatigue ont été conduits pour différentes conditions de pré-oxydation et de cyclage (surcharge initiale, temps de maintien). Une augmentation du module d’Young proportionnelle à la fraction de la section affectée par l’oxydation (ZAP) a été mise en évidence ainsi que les effets antagonistes d’un durcissement dû à la zone enrichie et d’un effet fragilisant (macroscopiquement adoucissant) induit par la création d’un réseau de fissures. Un vieillissement métallurgique du matériau a également été mis en évidence pour les oxydations les plus longues ainsi que le rôle de plumes intervenant dans la localisation de la déformation et de la fissuration après pré-oxydation. L’abattement de la durée de vie en fatigue augmente avec la ZAP. Des calculs éléments finis ont été réalisés de ces éprouvettes pré-oxydées qui présentent un gradient de comportement afin, par calcul inverse, d’investiguer le comportement local fonction de la teneur en oxygène ainsi que l’effet cœur coquille (décharge du cœur /surcharge de la peau). Cette surcharge est importante pour le dimensionnement en fatigue pour un composant s’oxydant significativement en service.

In a world where we seek to optimize costs, both economic and environmental, reducing the mass of structures is promising. The use of thin walls and lighter alloys such as titanium can lead to significant mass gains. Nevertheless, the high solubility limit of oxygen for these alloys limits their operating temperature. In this work, oxidation behavior of a Ti6242S alloy was studied between 538 and 650°C. Different characterization methods were used to determine the diffusion of oxygen in the alloy. These data allowed us to define pre-oxidation heat treatments, which were used to get targeted oxygen-enriched zones on the specimens for mechanical tests. These tests were carried out at 450 and 550°C on thin specimens (0.1 to 1 mm thick) to characterize the tensile behavior of the oxygen-enriched zone. Young's modulus measured increases linearly with the proportion of the area affected by oxygen diffusion. Tests on thin samples also highlighted the antagonistic effects of a hardening effect due to the oxygen enriched zone and an embrittlement effect (macroscopic softening and loss of ductility) induced by crack network development. Fatigue tests were carried out also at 450 and 550°C on samples submitted to different pre-oxidation and cycling conditions. The reduction of service fatigue life increases with the proportion of the section affected oxidation. A metallurgical ageing of the material was also highlighted for the longest oxidations. The presence of feathers-like structures impacting strain and crack localization was evidenced on thin samples. Finite element calculations have been performed to model mechanical behavior of pre-oxidized specimens as this mechanical behavior depends on the local oxygen contents. By inverse calculation, taking into account the real oxygen content gradient, it is possible to investigate the local mechanical behavior as a function of the oxygen content as well as the core-shell effect (core discharge / skin overload). This point is important for the fatigue design of components that oxidize in service and for which the oxygen affected area increases during the operating period.