Études expérimentales et modélisation des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques post forgeage dans l'alliage de titane Ti17

Experimental study and modelling of the microstructure evolutions during the thermal treatments following the forging in the Ti17 alloy

• Auteur / Autrice : Julien Da Costa Teixeira
• Direction : Elisabeth M. Aeby-Gautier, Benoît Appolaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Microstructure (physique)

Traitement thermomécanique

Titane -- Alliages

Résumé

Les propriétés d'usage de l'alliage Ti 17 dépendent fortement de la taille, de la morphologie et de la répartition des précipités de phase a au sein de la matrice 13. Ces paramètres microstructuraux découlent des conditions de traitement thermomécanique et c'est pourquoi la maîtrise des propriétés mécaniques et l'optimisation des procédés nécessitent de connaitre les microstructures finales comme leur évolution pendant leur mise en oeuvre. A cet effet, deux approches de modélisation sont développées dans le cas du refroidissement consécutif au forgeage à haute température: La première approche utilise la loi de Johnson - Mehl - Avrami - Kolmogorov (JMAK) qui permet de prédire, à l'échelle macroscopique, la proportion des différentes morphologies de la phase a. Le calcul métallurgique nécessite au préalable la mesure des cinétiques isothermes de transformation afin de déterminer les paramètres de la loi de JMAK. Des refroidissements continus à température contrôlée sont simulés, la comparaison avec l'expérience se révélant concluante. Le cas de pièces massives, sièges de gradients thermiques et micro structuraux est alors envisagé. Les données thermophysiques de l'alliage et l'enthalpie de transformation étant mesurées au préalable, les évolutions couplées thermiques et microstructurales sont prédites à l'aide du logiciel de calcul par Eléments Finis ZeBuLoN dans lequel nous avons introduit le modèle de calcul de cinétique de transformation de phase. Les calculs sont comparés aux résultats obtenus lors d'expériences de refroidissement de cylindres instrumentés. Le module de calcul ainsi obtenu est appliqué au cas d'une pièce industrielle. La deuxième approche repose sur la modélisation de la germination et de la croissance des précipités de phase a aux joints de grain. Ce calcul à l'échelle microscopique, celle des précipités, permet de prédire l'influence de la déformation plastique dans le domaine 13 sur la transformation de phase. Le modèle s'appuie sur les microstructures de déformation de la phase 13 à haute température, (par exemple la taille de grain recristallisé), fonction des conditions de déformation. Les cinétiques de transformation sont prédites pour divers traitements à température contrôlée consécutifs à une simple mise en solution ou bien à une déformation plastique dans des condition~ données. Concernant la prise en compte d'une pré déformation, la comparaison avec des résultats expérimentaux de la littérature est concluante. Par ailleurs, le modèle est utilisable sur d'autres alliages (connaissance des compositions d'équilibre des phases et des coefficients de diffusion) et il permet d'accéder à des paramètres microstructuraux tels que des tailles de précipités.

The mechanical properties of the Ti 17 alloy are strongly linked to the size, the morphology and the distribution of the a precipitates inside the 13 matrix. These micro structural parameters are dependent on the thermomechnical treatment applied to the part. Thus the control of the mechanical properties and the improvement of the processes goes through the knowledge of the final microstructure as weIl its evolution when applying these processes. For this purpose, two modeling approaches are developed, in the case of the thermal treatment following the high temperature forging: The first approach lies on the Johnson - Mehl- Avrami - Kolmogorov (JMAK) law, which allows the prediction of each a phase morphology amount, at a macroscopic scale. The metallurgical calculation needs the prior measurement of the isothermal transformation kinetics, in order to determine the JMAK law parameters. Controlled cooling treatments are simulated, the comparison with the experiment being conclusive. The case of large parts with temperature and microstructure gradients is then treated. The thermophysical data of the aIloy and the transformation enthalpy are first measured, and coupled temperature and microstructure evolutions are predicted with the Finite Element calculation software ZeBuLoN, inside which we implemented our metallurgical model. The simulation results are compared to experimental results obtained for large cylinders equipped with thermocouples during the cooling. The obtained modelling tool is then applied to an industrial piece. The second approach lies on the modeling of the nucleation and growth of the a precipitates on the grain boundaries. This calculation at the microscopic scale of the precipitates allows to predict the influence of the plastic defOrination in the high temperature 13 phase field. The model uses 13 microstructure parameters after the deformation (for instance the size of recristallized grain), in function of the deformation conditions. Transformation kinetics are predicted for several temperature controlled treatments, following either a simple solution treatment or a plastic deformation at given conditions. Concerning the influence of a prior plastic deformation, the comparison with experimental results in the literature is conclusive. Moreover, the model is useful for other aIloys (knowledge of the equilibrium phases composition and of the diffusion coefficients) and it allows to accede to micro structural parameters as the precipitate size.