Matériaux à haute résistance mécaniques et leurs procédés de fabrication. Cours 8 Les alliages de titane

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1 Matériaux à haute résistance mécaniques et leurs procédés de fabrication Cours 8 Les alliages de titane 8-1 Les alliages de titane 8-2 1

2 Les alliages de titane 8-3 Les alliages de titane 8-4 2

3 Les alliages de titane Ti Ni Acier Al Comp. 8-5 Pourquoi tant d intérêt pour Ti Plus léger que l acier ou les SA 4.5 g/cm3 comparé à 7.8-8g/cm3 Ratio résistance mécanique/ poids >> aciers ou SA Résistance à la fatigue >> Alliages Al T service ~ 500C Excellente résistance à la corrosion Tf : 1670C 8-6 3

4 Caractéristiques 4ème élément de la croute terrestre Matériau relativement nouveau en génie (1952) Découvert en 1791 Production brevetée 1942 Numéro atomique 20 : métal de transition 8-7 Caractéristiques Métal très réactif Interactions avec O, H, C, Minimiser le % des impuretés Production sous vide + Tf élevée Cout de production : 6xAl, 10x acier Usinage plus problématique que Al ou aciers 8-8 4

5 Caractéristiques Property Titanium Aluminium Iron Density (kg m -3 ) Young s Modulus (GPa) Tensile Strength (MPa) Electrical Resistivity (10-8 Ωm) Thermal conductivity (W m -1 K -1 ) Coefficient of Linear Thermal Expansion (K -1 multiplied by 10 6 ) (Unalloyed) to 1170, Ti6Al4V: to 180 (varying with impurities) 1000 (high tensile steel) Production Principaux minerais Ilménite (FeO-TiO2) ~98%TiO2 Rutile (TiO2) Procédés d extraction Kroll Hunter

6 Production Procédé Kroll éponge de Ti Réaction TiCl4(g)-Mg(liq.) à 780C très corrosif Besoin des réacteurs spéciaux Production de Ti : stratégique 8-11 Production-Procédé Kroll

7 Production - l ingot -Les éléments d alliages sont ajoutés mécaniquement à l éponge broyée avant le soudage des blocs 8-13 Production- procédé VAR VAR : Vaccum Arc Remelting Diamètre: mm Poids : Kg Yves Combres Techniques de l Ingénieur Distribution de Mo dans β- CEZ, 3tons, d=660mm. Simulation by : SOLAR (doc. École des Mines de Nancy / CEZUS France)

8 Présence d inclusions dans les lingots VAR Particules alpha (hard alpha)(tio-tin,..) Inclusions (Mo, Ta, W,..) 2x Var ou 3xVAR Pas suffisant Refusion par EB Production du lingot-procédé EBCHR Les formes allotropique du Ti

9 Les formes allotropique du Ti Alpha : (Tamb. Jusqu à 883 o C) - Hexagonale compacte (HCP) - Résistance mécanique élevée mais fragile - Formabilité faible a= 2.95A c=4.69a Beta : (>883 o C) - Cubique centré (CC) - Meilleure ductilité et formabilité 8-17 Cristallographie Ratio c/a = Idéal Cd =1.886; Zr=1.5802; Co= Mg = 1.624; Be= Plans de glissement Basale (+++++) Prismatique (++) Pyramidale (++) Plus c/a est grand plus le glissement en plan basale est grand Maclage plus grand comparé à Mg, Zr, Cd laminage > 90% sans fissuration

10 Cristallographie ftp://ftp.ccmr.cornell.edu/tmp/410/ms&e%20410/papers/wong.pdf 8-19 Cristallographie E très sensible à l orientation cristallographique Grande anisotropie influence sur la vie en fatigue

11 Morphologie des phases Equiaxe-globulaire: Grande taille de grain Réduction de Re (Effet Hall-Petch) Baisse de ductilité (interface α/β fragile) Ténacité réduite Résistance à la fatigue réduite Meilleur résistance au fluage 8-21 Morphologie des phases Morphologie lamellaire Similaire aux equiaxes mais Meilleure ténacité car propagation de fissure plus difficile dans une structure lamellaire Pas de gain en fatigue Initiation de fissure plus facile en structure lamellaire

12 Titane pure Intervalle de pureté : % Ti Éléments d alliage : Fe, C, O, N (interstitiels) Monophase alpha La résistance mécanique influencé par %O % O équivalent = %O+2%N+0.67%C Chaque 0.1% O équivalent = 120MPa accroissement en Rm mais baisse sensible de ténacité Alliages ELI (Extra Low Interstitial) pour maximum de ténacité 8-23 Microstructure

13 Applications Contenu d impuretés détermine la classe (ex: ASTM B265) Grade %Ti, 0.08C, 0.20Fe, 0.03N, 0.18O, 0.015H Pièces de structure d avions, usines de désalinisation, navale Grade4 99.0%Ti, 0.08C, 0.5Fe, 0.05N, 0.4O, 0.015H Fe est un stabilisateur de beta Plus de N et O pour améliorer propriétés mécaniques H toujours le minimum possible (fragilisation) 8-25 Effets des interstitiels

14 Température (C) Alliages + Alliages metastable Alliages Les alliages de Ti Éléments d alliage : 1- changer Ia proportion des phase 2-Modifier la T de transition Alliages alpha Alliages-quasi alpha Alliages alpha-beta Alliages quasi beta Alliages Beta 8-27 Les alliages de Ti M f M s + Concentration stabilisateur α: Al, O, N Β: V, Mo, Zr, Cu, W, Nb, Ta

15 Les alliages de Ti 8-29 Influence des éléments d alliage

16 Traitements Thermiques Pour alliages α-β et β Rm augmente avec % éléments d alliage Trempe de la phase β => Transf. martensitique Si bcp d élément d alliage Trempe &revenu => maximum dureté Si peu d élément d alliage: Trempe=> maximum dureté 8-31 Évolution des alliages Amélioration de propriétés mécaniques (Re, Rm, ductilité, fluage, fatigue) Développement d alliages (, +, ) USA» Ti-6Al-4V, Ti-8Al-1V-1Mo, Ti-6Al-2Sn- 4Zr-2Mo (Si),Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Si) Europe»IMI 550, IMI 679, IMI 685, IMI 700, IMI

17 Temperature (C) -Alloy + Alloy Metastable Alloy Stable Alloy Évolution des alliages M f M s + Ti-8Mn Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-4V Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-8Al-1Mo-1V Ti-5Al-2.5Sn Ti-13V-11Cr-3Al Ti-15Mo-5Zr-3Al Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn Ti-10V-2Fe-3Al -Stabilizer Concentration 8-33 Évolution des alliages Augmentation de la T d entrée du compresseur: >300C en 50 ans Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-4V* Ti Si Temperature (C) IMI834 *Wt.%

18 Temperature (C) -Alloy + Alloy Metastable Alloy Stable Alloy Évolution des alliages M f M s + -Stabilizer Concentration IMI 834 (Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C) C (transus temperature) 8-35 Caractéristiques des différentes classes

19 Propriétés mécaniques

20 Les alliages alpha Résistance moyenne Dépend du % Al et O Bonne résistance à l oxidation Rm: MPa KIC: >70MPa m-1/2 Applications Pales de compresseur Cryogénie Ti-5%Al-2.5%Sn Ti-5%Al-2.5%Sn (low O2) 8-39 Les alliages alpha Al L élément d alliage le plus important de Ti ~8% solubilité à Tamb. Effet SS très grand Augmente la T α->β T service >1000C Réduit la densité Améliore la résistance à l oxidation à haute T Mais si %Al>6 formation de α2 fragile ajout de Sn

21 Les alliages alpha Sn Réduit le besoin pour l Al =>minimise la formation de la phase fragile Ti3Al (α2) %Al limité à 5-6 dans le Ti Définition du paramètre Al eq =Al+sn/3+Zr/6+10(O+C+2n)<9%wt Nuance faible en O: bonne ductilité à basse T Stabilise la phase alpha ~13.5% de solubilité à Tamb. Contribue à l effet SS Ex: Ti-5Al-2.5%Sn 8-41 Microstructure de l alliage Ti-5Al-2.5Sn Phase alpha avec petites particules de beta Alpha phase

22 Les alliages alpha 8-43 Classification des alliages de Ti Les alliages quasi-alpha Faibles % de stabilisateurs beta Matrice alpha + <5% beta Traitable thermiquement Rm: MPa Ténacité: 50-70MPa m -1/2 Bonne résistance au fluage Excellente soudabilité Ti6242 (Ti6AL2Sn4Zn2Mo) IMI 685(Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si)

23 TT des alliages quasi-alpha Refroidissement à partir du domaine α+β Chauffage jusqu a α + β Refroidissement à l air : α primaire équiaxe + α Widmanstatten formée par germination et croissance dans β Refroidissement rapide : Transformation de β en α martensitique très haute résistance 8-45 TT des alliages quasi-alpha A partir de β Trempe de β : Lamelles de α martensitique délimitées par des films fins de beta Vieillissement : formation de la phase α Refroidissement à partir de β : Structure basketweave de Widmanstatten α délimitées par β

24 TT des alliages quasi-alpha Influence du taux de refroidissement du domaine β 8-47 Comparaison des propriétés mécaniques alloy UTS(MPa) Yield 0.2 (MPa) A (%) E (GPa) Ti : CP T Near : IMI : TA6V : IMI Cez Cez max Cez 100%

25 Classification Les alliages des alliages alpha-beta de Ti Matrice alpha % beta Microstructure bimodale Traitable thermiquement Rm: MPa Ténacité: 30-60MPa m -1/2 Faible résistance au fluage Excellente formabilité TA6V4 (Ti6AL4V) Ti6246 (Ti6Al2Sn4Zr6Mo) X200 X Traitement thermique des alliages α-β Trois possibilités: -Trempe à l eau -Refroidissement à l air -Refroidissement dans le four

26 Traitement thermique des alliages α-β Trempe à partir de la phase Beta (1066C) Transformation martensitique au point Ms Martensite α : HC Sévèrement maclée Lamellaire Grande densité de dxn dureté élevée Martensite se décompose pendant le revenu et le vieillissement Revenu Trempe à l eau Passage de Ms 8-51 Traitement thermique des alliages α-β Trempe à partir de beta Ti C-30min + trempe à l eau

27 Traitement thermique des alliages α-β Vieillessement après trempe Précipitation de fines particules de beta La résistance augmente 8-53 Caracteristiques de la martensite β se transforme en différents types de martensite: β α lamellaire (martensite très dure) % soluté augmente lamelle de martensite HC lenticulaire (martensite maclée) α orthorhombique(a b c) α martensite orthorhombique face centrée CC β métastable

28 Traitement thermique des alliages α-β Refroidissement dans le four à partir de la phase beta Formation de structures α+β en équilibre Large plaque alpha formée par germination et croissance Beta résiduelle dans les JG Rm= 1034MPa (martensite α 1102MPa) 8-55 Traitements thermiques- Refroidissements dans le four de la phase beta

29 Traitements thermiques- Refroidissement à l air de la phase beta 8-57 Traitements thermiques à partir de la région biphasée Refroidissements au-dessus de Ms (e.g. 954C) Trois possibilités: -Trempe à l eau -Refroidissement à l air -Refroidissement dans le four

30 Refroidissements au-dessus de Ms Trempe depuis 954C α primaire et β transformée (α martensite) Alpha primaire Beta transformée (martensite α ) 8-59 Refroidissements au-dessus de Ms Refroidissment à l air depuis 954C α primaire et β transformée (α aciculaire) Alpha primaire beta transformée sous forme d α aciculaire

31 Refroidissements au-dessus de Ms Refroidissement dans le four depuis 954C α equiaxe et β intergranulaire Alpha equiaxe Beta intergranulaire 8-61 Traitements thermiques à partir de la région biphasée Refroidissement depuis en-dessous de Ms (e.g. 843C) Trois possibilités: -Trempe à l eau -Refroidissement à l air -Refroidissement dans le four

32 Traitements thermiques à partir de la région biphasée Trempe depuis 843C β non transformée (résiduelle ) dans une matrice d α β non transformée (CC) Alpha (HC) 8-63 Traitements thermiques à partir de la région biphasée Refroidissement àl air depuis 843C α equiaxe et β intergranulaire Alpha equiaxe Beta intergranulaire

33 Traitements thermiques à partir de la région biphasée Refroidissement dans le four depuis 843 β non transformée (résiduelle ) dans une matrice d α β non transformée (CC) Alpha (HC) 8-65 Influence du vanadium

34 Diagrammes TRC pour les alliages de Ti (Y. Combres Techniques de l ingénieur, F. Lemaitre.) 8-67 Classification des alliages de Ti Les alliages beta Le plus haut niveaux de Rm parmi les alliages de Ti Densité plus élevée à cause de la présence de Mo, V, Fe Ajout d Al pour durcissement par SS et réduire la densité Mise en forme plus facile (phase beta CC) Peut être vieillie à des Rm très élevées

35 Temperature (C) -Alloy + Alloy Metastable Alloy Stable Alloy Les alliages β M f M s + -Stabilizer Concentration 8-69 Classification des alliages de Ti Les alliages beta Stabilisateurs de beta ajoutés pour garder la microstructure beta à Tamb. Pas de martensite après la trempe Deux types de stabilisateurs Isomorphes (même structure) Mo, V, Nb, Ta Eutectoid Fe, Cr, Cu, Ni, Co, Mn

36 Classification des alliages de Ti Les alliages beta On définit le paramètre Mo Équivalent Mo equ =1Mo+0.67V+0.44W+0.28Nb+0.22Ta+1.6Co+2.5Fe Si Moequi<25 on aura un alliage β métastable Si Moequi>25-40 alliage β stable Microstructure après SHT+trempe Rm~1350MPa Alliages métastable : durcie par TT Alliages stable : non-durcissable 8-71 Compositions et applications

37 Avantages et limites 8-73 Les alliages beta La plupart des alliages beta sont métastables Transformation en lamelles larges d α après TT dans le domaine α+β Précipitation de la phase α après vieillissement à long terme

38 Microstructure de l alliage Ti-13%V- 11%Cr-3%Al 788C pour 30min + trempe à l eau 8-75 A retenir

39

40 8-79 Polmear, metallurgy of light alloys,