Ce travail est mené sur un joint soudé d’intérêt pour le CEA. Il s’agit d’une soudure de deux pièces en alliage de titane TA6V obtenue par laser pulsé. Dans cette section, une caractérisation métallurgique du joint soudé est présentée. La soudure est autogène, c’est-à-dire sans métal d’apport. Les résultats de cette section sont issus de la thèse de Benjamin Sarre [Sarre 2018].
2.2.1 Phases en présence
À réception, le matériau présente une microstructure bimodale ou duplex. Elle est composée de nodules équiaxes α (phase hexagonale du titane) et de colonies lamellaires. Ces dernières sont formées de fines lamelles α comprises dans une matrice β (phase cubique centrée du titane).
Figure 2.1 – Micrographie optique du joint soudé. La vue depuis le dessus des plaques met en évidence la Zone Fondue (ZF) au centre, deux Zones Affectées Thermiquement (ZAT1, ZAT2) et le Métal de Base (MdB). La figure est issue de [Sarre 2018].
Le cycle thermique appliqué à la pièce lors de son soudage modifie localement la microstructure. La mi- crographie de la Figure 2.1 propose une vue de dessus du joint soudé. Trois types de zones peuvent être
distinguées : la Zone Fondue (ZF) totalement passée à l’état liquide lors du soudage, la Zone Affectée Thermi- quement (ZAT) siège de transformations à l’état solide et le Métal de Base (MdB) qui n’est pas impacté par l’opération de soudage. Les microstructures des différentes zones dépendent de l’histoire thermique locale au cours du soudage. Tout d’abord, la ZF présente une microstructure martensitique α0. Elle est caractéristique
de la trempe subie par le matériau. Deux ZAT sont identifiées. Alors que la ZAT1 est triphasée α + β + α0,
la ZAT2 ne présente que les phases α et β. La microstructure de cette dernière diffère cependant de celle du MdB. Enfin, le MdB présente toujours une microstructure duplex α + β. Les défauts qui sont le centre de cette étude sont susceptibles d’apparaître dans la ZF, qui est caractérisée plus finement dans la suite.
2.2.2 Caractérisation de la zone fondue
La microstructure martensitique de la ZF est composée d’ex-grains β (phase à haute température du titane, formée au début de la solidification) dans lesquels se sont formées des aiguilles martensitiques α0 comme
schématisé sur la Figure 2.2. Alors que la taille des ex-grains β est caractéristique de la durée passée à haute température, l’épaisseur des aiguilles α0 dépénd, elle, de la cinétique de refroidissement. Des pores
sont visibles sur la micrographie de la Figure 2.2. Leur taille est de l’ordre de grandeur de celle des ex- grains β. Du fait de la très grande vitesse de solidification, les éléments d’alliage n’ont pas le temps de
Figure 2.2 – Microstructure de la Zone Fondue : a) représentation schématique de la microstructure et b) coupe transverse d’un joint soudé. La figure est issue de [Sarre 2018].
ségréger. La ZF présente donc une très grande homogénéité en éléments d’alliage. Cela peut être observé sur la Figure2.3 qui présente des cartographies EDS d’un joint soudé pour l’aluminium et le vanadium. Dans le MdB, l’aluminium, élément alphagène, est concentré dans la phase α, alors que le vanadium, betagène, est concentré dans la phase β. C’est pour cette raison que les cartes verte et bleue de la Figure 2.3 sont complémentaires dans le MdB et plates pour la ZF. Bien sûr, les variations de microstructures impliquent des variations de propriétés mécaniques. Dans le cas du joint soudé étudié, la ZF est en overmatch [Sarre 2018], c’est-à-dire qu’elle est plus dure que le MdB comme mis en évidence sur la cartographie de micro-dureté Vickers de la Figure2.4. Afin de pouvoir caractériser le comportement mécanique de la ZF, il a été proposé dans la thèse de B. Sarre [Sarre 2018] de mettre en place un traitement thermique idoine pour obtenir une microstructure proche de celle de la ZF. La démarche de choix des paramètres du traitement thermique est exposée dans la suite.
2.2.3 Obtention de la microstructure
La ZF présente des caractéristiques mécaniques supérieures à celle du MdB. Cependant, le volume de ZF créé au cours du soudage est extrêmement faible. En effet, cette dernière fait environ 500 µm de large. Il est donc très complexe de prélever des éprouvettes faites uniquement de ce matériau. De plus, il est probable qu’une éprouvette issue d’un cordon de soudure présente des défauts qui modifieraient la réponse mécanique
2.2. CARACTÉRISATION MÉTALLURGIQUE DU JOINT SOUDÉ 25
Figure 2.3 – Cartographies EDS des éléments d’alliages dans le joint soudé. La ZF est beaucoup plus homogène en aluminium (a) et en vanadium (b) que le MdB. Une métallographie de la zone scannée est proposée en (c). La figure est issue de [Sarre 2018].
de toute l’éprouvette. Pour pallier ces difficultés, le choix a été fait dans la thèse de B. Sarre de mettre en place un traitement thermique qui permet d’obtenir une microstructure représentative de celle de la ZF. Ainsi, il est possible de caractériser le matériau de la ZF sur des éprouvettes de taille standard, sans défauts. Le traitement thermique à appliquer est défini par quatre paramètres : la vitesse de chauffe, la température du palier, la durée du palier et la vitesse de trempe. Les vitesses de chauffe et de trempe ont été fixées par les moyens disponibles au CEA/Valduc. Une trempe à l’eau a été choisie pour provoquer la transformation martensitique. La température a été fixée à 1050◦C, 30◦C au-dessus de la température de transus β. La durée
du palier est, elle, fixée en étudiant deux caractéristiques des microstructures obtenues : la taille des ex- grains β et l’homogénéité chimique des éléments d’alliage. La ZF présente des ex-grains β relativement petits, d’une taille proche de 140 µm et une très grande homogénéité chimique. Lorsque le traitement thermique est allongé, le matériau s’homogénéise par diffusion comme présenté sur la Figure2.5.
Cependant, les grains β grossissent au cours du traitement thermique comme présenté dans la Figure 2.6. Dans la suite, un compromis est fait : c’est le traitement thermique 2 (7 min à 1050◦C) qui est choisi.
Les traitements thermiques ont été effectués dans un four sous air, ce qui conduisait à une oxydation de la surface des échantillons. Ainsi, pour chaque campagne d’essais réalisée, des ébauches des éprouvettes ont d’abord été usinées, laissant 2 à 3 mm de matière supplémentaires. Ces ébauches sont ensuite traitées thermiquement, puis reprises en usinage à la forme finale.
Figure 2.4 – Micro-dureté Vickers sur un joint soudé d’intérêt. Une charge de 500 g est appliquée. La figure est issue de [Sarre 2018].
(1) (2) (3)
Figure 2.5 – Cartographies EDS du vanadium en fonction du temps de traitement thermique. La figure est issue de [Sarre 2018].
Figure 2.6 – Évolution de la taille des ex-grains β en fonction du temps de traitement thermique. La figure est issue de [Sarre 2018].