Cas du matériau Ti-6Al-4V :

Les conditions d’UAL sur ce matériau ont été définies par G. Germain [Germain 2006] dans le cadre de sa thèse.

3.2.1.Rugosité

Les états de surface des éprouvettes usinées conventionnellement, usinées avec assistance laser sans traitement thermique et usinées avec assistance laser avec traitement thermique sont comparés. Les résultats des mesures de rugosité pour chaque type d’éprouvettes sont rassemblés dans la Fig. 98. De grandes disparités sont observées (Fig. 97).

Ti Ra = 0.84 µm Rt = 4.5 µm Tiul Ra = 0.66 µm Rt = 4.2 µm Fig. 97 – Eprouvettes de traction en Ti-6Al-4V

(respectivement Ti, Tiul, TiT).

Fig. 98– Résultats des mesures d’état de surface des éprouvettes pour chacun des lots. Ces résultats montrent une valeur du Ra de 0,84 µm en UC et de 0,66 µm pour l’UAL. Rappelons que pour ces éprouvettes la structure observée est une structure équiaxe. Ces valeurs sont relativement proches et assez faibles.

En revanche, pour les éprouvettes réalisées en UAL avec traitement laser (TiT), le paramètre Ra augmente de manière importante ; la qualité de surface obtenue est très dégradée.

3.2.2. Observations microstructures et microdureté

Les microstructures obtenues sont fortement dépendantes du traitement thermique effectué lors de l’UAL, lui-même fonction du choix des paramètres du procédé : vitesse de déplacement ou vitesse de coupe et puissance laser. Suivant les paramètres utilisés, différentes microstructures des ZAT sont créées. Par exemple, pour une puissance laser de 1000 W et une vitesse de déplacement de 26m/mn sur un échantillon de diamètre 20mm sans usinage, des observations MEB (Fig. 99) montrent que quatre microstructures différentes peuvent être observées.

A l’état recuit, l’alliage Ti-6Al-4V a une microstructure équiaxe composée de deux phases α et β (Fig. 99d). Dans le cas de fortes puissances laser (P = 1000 W), trois ZAT peuvent être générées :

- Une zone dendritique qui apparaît en surface suite à la fusion de l’alliage (Fig. 99a). Notons que de nombreuses fissures circonférentielles engendrées lors du refroidissement rapide de la surface sont également observées. Cette microstructure associée à cet endommagement est donc à proscrire pour la bonne tenue en fatigue des pièces. La dureté de cette zone est environ deux fois plus importante que celle du matériau de base (Fig. 100).

- Une zone aiguillée créée en sous couche de la zone dendritique (Fig. 99b). Cette microstructure apparaît après un traitement thermique à une température supérieure à 1025°C et un refroidissement rapide. Cette zone aiguillée est plus ou moins fine suivant les vitesses de refroidissement générées. La dureté dans cette zone diminue progressivement vers celle du matériau initial (Fig. 100).

- Une zone bimodale (Fig. 99c) qui est en fait une transition de la microstructure aiguillée à la microstructure équiaxe du matériau de base.

(a) dendritique (b) aiguillée (c) bimodale (d) équiaxe Fig. 99 – Microstructures observées pour un UAL et traitement avec P = 1000 W et v = 26 m/min.

Nanoindentation 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 50 100 150 200 250 Distance (µm) D u re té G P a Zone fondue Zone aiguillée Zone bimodale Zone équiaxe

Fig. 100 – Evolution de la microdureté associée à différentes microstructures en fonction de la profondeur de l’échantillon pour l’alliage Ti-6Al-4V.

Notons que les mesures des ZAT effectuées à partir des observations microscopiques sont cohérentes avec les résultats de dureté synthétisés sur la Fig. 100.

Quand on diminue le diamètre des échantillons (6 mm) pour réaliser les éprouvettes de fatigue conformes au plan (Fig. 91b), le traitement thermique par laser sur les éprouvettes en alliage Ti-6Al-4V engendre des résultats différents. En effet, il a été constaté que pour des diamètres inférieurs à environ 15 mm, l’éprouvette chauffe fortement car la pièce n’est pas assez massive pour jouer le rôle de puits thermique. Les profondeurs traitées sont donc beaucoup plus importantes que sur des pièces massives. La puissance laser doit donc être fortement réduite pour avoir une profondeur traitée raisonnable.

Dans la suite de l’étude, pour éviter d’obtenir la zone fondue décrite précédemment et ne conserver qu’une microstructure aiguillée ou équiaxe en surface, les paramètres suivants ont été choisis :

- Paramètres de coupe : vc = 20m/mn; f = 0.1mm/tr; ap = 0.15mm et faisceau laser de puissance P = 400W pour l’UAL sans traitement thermique (voir Tab. 21) afin d’obtenir la structure équiaxe.

Couche dendritique

Couche aiguillée

Couche bimodale

Couche équiaxe (structure initiale)

Fig. 101 – Observation de la surface de l’éprouvette Ti-6Al-4V au microscope optique et au MEB après l’UAL sans traitement thermique.

En analysant les micrographies (Fig. 101), on constate qu’aucune transformation microstructurale n’est observée en surface des éprouvettes UAL sans traitement thermique et que la structure semble relativement homogène. Ceci peut être dû au fait que la partie surchauffée est enlevée et évacuée sous forme de copeaux.

- Même paramètre de coupe avec faisceau laser de puissance P = 250W décalé vers l’arrière de l’outil (0,4 mm) pour l’UAL avec traitement thermique de surface afin d’obtenir la structure aiguillée. L’observation au MEB de la coupe dans le sens longitudinal d’éprouvettes réalisées en UAL avec traitement thermique (Fig. 102) montre une couche de structure aiguillée (sans zone dendritique) sur une épaisseur de 80 µm au niveau de la zone utile de l’éprouvette. La profondeur traitée diminue quand on s’éloigne de la partie utile. De plus la surface semble très irrégulière générant des concentrations de contraintes qui risquent d’être néfaste à la tenue en fatigue du matériau.

Fig. 102 – Profondeur de la zone traitée au long d’une éprouvette Ti-6Al-4V traitée par UAL.

3.2.3. Contraintes résiduelles :

Des mesures de contraintes résiduelles ont été réalisées sur certaines éprouvettes, avant sollicitations de fatigue, prise au hasard dans chaque lot testé. Les résultats sont consignés dans le Tab. 25.

Eprouvette Ti Tiul TiT

Ra moyenne (µm) 0.84 0.66 1.26

σR longitudinale (MPa) -510 ± 45 -80 ± 35 330 ± 35

σR circonférentielle (MPa) -290 ± 45 -50 ± 20 280 ± 20

LPM (°) 2.65 2.5 3.5

Tab. 25 – Récapitulatif des valeurs de contraintes résiduelles en surface des éprouvettes Ti-6Al-4V. Les contraintes résiduelles en surface de l’éprouvette usinée conventionnellement sont en compression de l’ordre de -510 MPa dans le sens axial et -290 MPa dans le sens circonférentiel. L’UAL seul a tendance à

diminuer l’intensité de ces contraintes en compression : -80 MPa dans le sens axial et -50 MPa dans le sens circonférentiel. Le traitement thermique laser sur l’alliage de titane Ti-6Al-4V entraîne un passage des contraintes résiduelles en surface vers la traction : contrainte longitudinale de 330 MPa et contrainte circonférentielle de 280 MPa. Ce passage vers la traction semble lié à un fort gradient thermique en surface du matériau. Ces observations sont inverses à celles constatées dans le cas de l’acier 100Cr6 qui bénéficie de fortes contraintes de compression dues à l’apparition de martensite.

Le lien entre le procédé d’usinage choisi et la tenue en fatigue des pièces sera analysé dans le paragraphe qui suit en considérant le procédé d’UC comme la référence.

4.

INFLUENCE DES CARACTERISTIQUES D’INTEGRITE DE SURFACE SUR