Les alliages base titane

Les implantations d'un alliage de titane (TiAl6V4) avec 6 % d'aluminium et 4 % de Vanadium ont été réalisées sur des échantillons parallélépipédiques (16×9×2 mm). Les échantillons ont subi préalablement un polissage mécanique jusqu'au papier 4000, conduisant à une rugosité de surface de 1 µm. Les traitements on été effectués à trois températures 500, 700 et 900 °C. Les conditions d'implantation étaient de 25 kV, 10 µs et 500 Hz pour 1 heure de traitement, excepté le traitement à 900 °C où la durée était de 2 heures. La pression de travail était de 1 Pa avec un mélange d'azote et d'hydrogène respectivement de 90 et 10 %. Pour toute ces conditions l'échantillon a été préchauffé dans le réacteur durant 30 min avant le traitement d'implantation. Les résultats de DRX montrent qu'après traitement nous n'observons plus que la phase α, de structure hexagonale, du titane (Figure 6).

34 36 38 40 42 0 200 400 600 800 Ti₂N TiN_0,3 Ti₂N Ti TiN Ti Ti₂N Ti TiN TiAl6V4 500 °C 700 °C 900 °C

Intensité (Coups / s)

θ

Figure 6 : Diagrammes de diffraction des rayons X en configuration rasante d'un alliage TiAl6V4 implanté à différentes températures

Ces mesures on été effectuées en configuration rasante à 5 °, c'est à dire pour une profondeur de pénétration des rayons X de 0,5 µm. Pour un traitement à 500 °C, on observe l'apparition de la phase TiN0,3 dans le pied du pic titane. A partir de 700 °C, c'est la phase ε-Ti2N qui apparaît et à 900 °C, nous trouvons la phase δ-TiN. Ce comportement a déjà été observé par Silva [Sil99] en nitruration ionique (DC) à 470 Pa, 700 °C, 3 heures, N2-H2 (50-40 %). La microdureté de surface est donnée dans le tableau 2. Après 2 heures de traitement à 900 °C, la dureté de surface est multipliée par trois. La filiation de dureté effectuée sur ce même échantillon est présentée à la figure 7; on constate une variation de dureté sur une profondeur qui s'étend sur plus 60 µm. Cette transformation des propriétés mécaniques sur plus de 60 µm n'est pas due à la couche de composé TiN mais plus vraisemblablement à un enrichissement d'azote dans une couche de diffusion analogue à celle observée dans les aciers faiblement alliés. Nous n'avons pas effectué par profilométrie un dosage qui pourrait corroborer cette analyse. En effet nous ne pouvons pas exclure à priori un durcissement dû à un phénomène de transformation structurale dans l'alliage. Cette transformation de phase est d'ailleurs mise en évidence par les analyses de MET qui suivront. Mais il faut noter que la spectrométrie de

contient de l'azote à quelques microns de la surface. Pour les deux autres températures les filiations de dureté n'ont pas montré la présence d'un gradient.

Température (°C) et durée

de traitement ^{TiAl6V4 500 - 1 heure 700 - 1 heure 900 - 2 heures} Hv (100g) Vickers 393 400 508 1263 Tableau 2 : Microdureté de surface du TiAl6V4, implanté à 25 kV, 10 µs, 500 Hz pour

différentes températures et durée de traitement

0 20 40 60 80 100 400 450 500 550 600 Microdureté Vickers (25 g) Profondeur (µm)

Figure 7 : Profil de microdureté du TiAl6V4 implanté à 900 °C, 2 heures, à 25 kV, 10 µs, 500 Hz en mélange N2-H2 (90 –10%)

Les investigations en microscopie électronique en transmission (MET) et spectrométrie de pertes d'énergie d'électrons (EELS) ont été réalisées par Y. Kihn (Groupe Microscopie Electronique et Analyses du CEMES à Toulouse).

L'alliage TiAl6V4 a été observé avant et après traitement de nitruration. Avant traitement l'alliage présente une morphologie globulaire avec une phase α largement majoritaire (environ 90% en volume) où il n'apparaît pas de précipitation aux joints de grains. L'analyse EELS avec une taille de sonde de l'ordre de 40 nm, montre que l'aluminium est plus spécifiquement présent dans les phases α et que le vanadium est concentré dans les phases β. La diffraction électronique permet d'identifier ces phases et elle confirme la contraction des paramètres de

maille par rapport à celles du titane pur, déjà observées en diffraction des rayons X dans les 2 types de phases.

Après le traitement d’implantation à haute température, la microstructure du matériau de base (TiAl6V4) est complètement transformé : on ne retrouve plus les phases β globulaires, mais entre les phases α on observe la présence de grains étroits et allongés, beaucoup plus riches en vanadium que les phases β d'origine et qui semblent avoir une structure cubique analogue au

β; cette observation a déjà été observé par Wang [Wan97].

L'échantillon prélevé sur le matériau implanté à 900 °C correspond à une coupe transverse : à partir de la surface et en allant vers l'intérieur du matériau de base, on observe une couche nanocristallisée (diagramme d'anneaux pointés) de 70 nm à 100 nm de profondeur. L'analyse EELS (Figure 8) permet de détecter le seuil K de l'azote à 399 eV et le seuil L2-3 du titane à 455 eV. En évaluant l'aire sous les pics après extraction du fond continu et en appliquant une correction de type k-facteur déterminée à partir d'un échantillon test de TiN st œchiométrique, on peut montrer que cette couche de surface correspond globalement à du TiN. Il faut noter cependant la présence d'une certaine quantité d'oxygène limitée à l'extrême surface, et qui n'affecte pas les liaisons avec l’azote. L'analyse des structures fines du seuil K de l'azote (ELNES) montre des dédoublements des pics ou des décalages en énergie des seuils selon les liaisons et structures cristallographiques impliquées (Figure 9); ces modifications sont en accord avec la présence en surface d'une couche de TiN st œchiométrique.

350 400 450 500 550 600 eV couche "Ti 2N" couche "TiN"

Ti-L

N-K

O-K

Figure 8 : Spectres en énergie (EELS) de la couche de surface du TiAl6V4 implanté à 900°C

3 9 0 4 0 0 4 1 0 4 2 0 4 3 0 4 4 0 4 5 0 e V TiN -test couche externe TA6V-nitruré Ti 2N

ELNES au seuil K de l'azote

Figure 9 : Spectres de pertes d'énergie, structures fines (ELNES) des couches superficielles TiAl6V4 implanté à 900°C, comparés aux spectres de TiN et Ti2N

Sous cette couche, on trouve une zone plus large de titane nitruré. Le rapport de Ti/N est légèrement inférieur à 2 (entre 1.85 et 1.9). Sa structure est celle de Ti₂N et correspond à des phases alpha transformées par l'insertion d'azote; elle est constituée de gros grains plus ou moins monocristallins où l'aluminium et le vanadium sont absents ou indétectables (donc < 1%). On trouve également des grains contenant une très faible quantité d'azote, où par contre le vanadium et l'aluminium sont présents en quantité notable. Une étude de ces grains bien moins nombreux que les autres est en cours. Les structures fines ELNES du seuil K de l'azote dans la couche de Ti2N sont représentées sur la figure 8. L 'épaisseur de cette couche peut être évaluée à quelques microns. La micrographie 3 présente cette couche visualisée au MEB après attaque chimique et confirme que l'épaisseur est de 1,6 µm.

Au-delà de, on trouve du titane contenant une moindre quantité d'azote, il s'agit d'une phase voisine de la structure du titane α, mais dont il nous reste encore à déterminer les paramètres de maille.

Micrographie 3 : Coupe transverse d'un alliage de titane (TiAl6V4) implanté à 900 °C