Etude des évolutions microstructurales dans l'alliage de titane beta-métastable Ti-5553 : conditions sévères de chargements thermiques et réactivité chimique avec un outil de coupe

Microstructural evolutions in the Ti-5553 beta-metastable titanium alloy : severe thermal loading conditions and chemical reactivity with a cutting tool

• Auteur / Autrice : Nicolas Chanfreau
• Direction : Moukrane Dehmas, Dominique Poquillon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 07/12/2023
• 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 : Albert Tidu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moukrane Dehmas, Dominique Poquillon, Albert Tidu, Vanessa Vidal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Gloriant, Myriam Dumont-Nicolas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage

Titane

Mots clés libres

Alliages de titane

Transformations de phases

Chauffage rapide

Couple de diffusion

Simulation thermocinétique

Usinabilité

Titanium alloys

Phase transformations

Rapid heating

Diffusion couple

Thermokinetics simulation

Machinability

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR DEMUTI dont l’objectif a été de comprendre et de quantifier l’impact des éléments microstructuraux de l'alliage de titane beta-métastable Ti-5553 sur son usinabilité et l’usure des outils de coupe. Ainsi, différentes microstructures dites « modèles » ont été élaborée afin d’étudier l’influence de la microstructure initiale et de la vitesse de chauffage sur les mécanismes et la cinétique de dissolution de la phase lors d’un chauffage continu rapide afin de rendre compte de l’échauffement local en pointe d’outil. En complément, la diffusion chimique entre les alliages de titane et les outils de type WC-Co a été étudié pour comprendre plus avant les mécanismes d’usure assistée par la diffusion chimique. Sept chemins thermiques permettant d’obtenir des microstructures modèles avec des fractions de phase, des morphologies, des tailles et des répartitions spatiales de phase différentes ont été définis. Les matériaux correspondants ont été fabriqués et leurs caractéristiques microstructurales ont été déterminées. Des résultats d’essais de rabotage réalisés par le laboratoire partenaire du LAMPA (Angers) ont été exploités pour mettre en relation les spécificités microstructurales, la microdureté et les efforts d’usinage induits lors du rabotage. Les paramètres influents ont été déterminés. Les transformations de phases en chauffage rapide continu jusqu’à 100 °Cs-1 ont été investiguées en s’appuyant principalement sur des mesures in situ obtenues par diffraction des rayons X synchrotron haute énergie. Comme attendu, la cinétique de transformation + pour l’alliage Ti 5553 est plus lente en comparaison à celle rapportée dans la littérature pour l’alliage Ti 64. Les résultats obtenus ont également permis de montrer que la cinétique de transformation dépend non seulement de la vitesse de chauffage mais aussi de la morphologie et de la taille des précipités . En revanche, la fraction initiale de phase n’a pas d’impact sur la cinétique de transformation mais seulement sur la température de début de transformation. L’analyse combinée des paramètres de maille moyens et des largeurs à mi-hauteurs des pics de diffraction laisse supposer que la transformation est pilotée par la diffusion chimique et que les faibles diffusivités des éléments solutés et la diminution du nombre d’interfaces / conduisent à des hétérogénéités chimiques dans la phase dont l’amplitude varie avec la vitesse de chauffage. Enfin, des simulations numériques de la dissolution de la phase au chauffage sont discutées en regard des résultats expérimentaux. Par l’étude de couples de diffusion sous chargement thermique entre des pastilles de Ti-64 ou Ti 5553 et des outils WC-Co, nous avons montré la formation systématique d’une couche de TiC et la dissolution partielle des carbures WC de l’outil. Une longueur de diffusion du W significativement plus grande dans l’alliage Ti-64 a été mesurée. Par ailleurs, pour l’alliage Ti 5553, la précipitation d’aiguilles TiC jusqu’à plusieurs centaines de micromètres dans la matrice a été mise en évidence. Les mécanismes de diffusion et de transformations de phases résultantes sont discutés.

This PhD thesis is part of collaborative project, which aims to understand and quantify the effect of microstructural features of the Ti-5553 -metastable titanium alloy on its machinability and cutting tool wear. Thus, a set of so-called "model" microstructures were elaborated to study the effect of the initial microstructure and heating rate on the mechanisms and kinetics of phase dissolution during rapid continuous heating to simulate the local overheating at the cutting tool tip. In addition, chemical diffusion between titanium alloys and WC-Co type tools was studied to further understand mechanisms of wear assisted by chemical diffusion. Seven thermal paths were defined to obtain model microstructures with different fractions, morphologies, sizes, and spatial distributions of phase. The corresponding materials were produced, and their microstructural features were determined. Results from orthogonal cutting tests conducted by the partner laboratory LAMPA (Angers) were used to link microstructural features, microhardness, and machining forces generated during cutting. The most influencing parameters were determined. Phase transformations on rapid continuous heating up to 100 °Cs 1 were investigated primarily using in situ measurements obtained through high-energy synchrotron X-ray diffraction. As expected, the + transformation kinetics for the Ti 5553 alloy were slower compared to those reported in the literature for the Ti 64 alloy. The results also showed that the transformation kinetics depend not only on the heating rate but also on the morphology and size of the precipitates. However, the initial fraction of phase has no significant effect on the transformation kinetics but only on the starting temperature of transformation. The combined analysis of mean lattice parameters and full width at half maximum of diffraction peaks suggested that the transformation is controlled by chemical diffusion and that the low diffusivities of solute elements and the reduction in the number of / interfaces lead to chemical heterogeneities in the phase whose amplitude varies with the heating rate. Finally, numerical simulations of phase dissolution on heating were discussed in relation to experimental results. Through the study of diffusion couples under thermal loading between Ti-64 or Ti 5553 samples and WC-Co tools, the systematic formation of a TiC layer and partial dissolution of WC carbides in the tool were systematically revealed. A significantly greater diffusion length of W in the Ti-64 alloy was measured. Furthermore, for the Ti 5553 alloy, the precipitation of TiC needles up to several hundred micrometers in the matrix was observed. The diffusion mechanisms and resulting phase transformations are discussed.