Généralisation aux alliages Ti6Al4V α+β et au Ti6Al4V traité β

L’analyse à la microsonde de Castaing a été réalisée seulement sur le Ti54M. Une analyse EDS a été effectuée sur les deux autres matériaux afin de qualifier qualitativement la diffusion ainsi que quantitativement à l’aide de l’épaisseur des différentes couches affectées. La Figure 4.16 présente l’aspect de la microstructure pour les trois matériaux. L’apparence visuelle des trois échantillons est similaire. La zone affectée est visible ainsi que la zone riche en Co et la couche de TiC. Les épaisseurs des différentes couches ont été mesurées puis comparées. L’échantillon de Ti6Al4V α+β maintenu pendant 30 min. ainsi que l’échantillon de Ti6Al4V traité β maintenu pendant 2 h n’ont pas été observés.

La Table 4.E récapitule les épaisseurs mesurées des différentes couches pour les trois couples de diffusion avec les différents matériaux. Ces épaisseurs sont du même ordre de grandeur pour les trois matériaux, aucune différence notable n’est observée. Ce résultat permet de mettre en évidence que les éléments d’addition tels que le vanadium ou le molybdène interfè- rent très peu dans les cinétiques de formation des couches TiC, et zones riche en Co et affec- tée. Les essais de diffusion ayant été réalisés dans le domaine β, la microstructure a peu d’influence. En revanche dans le cas des éléments de l’outil, le pourcentage de cobalt peut varier en fonction des outils, celui-ci pouvant varier de 2 à 10 %, il serait intéressant dans le futur de réaliser une campagne d’essai avec un même alliage de titane mais avec des taux de cobalt différents dans l’outil afin de vérifier si les variations de cet élément ont une influence sur le processus de diffusion.

Ti54M Ti6Al4V α+β Ti6Al4V traité β

Figure 4.16 – Microstructure des couples de diffusion pour les trois matériaux (15 min.)

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0 min. 15 min. 30 min. 2 h.

Zone affectée (µm) Ti54M 3.3 4 5.8 7.7 Ti6Al4V α+β 3.1 3.2 - 7.5 Ti6Al4V traité β 1.5 3.5 3.2 - Zone riche en Co (µm) Ti54M 0.6 0.4 0.5 1.1 Ti6Al4V α+β 0.5 0.5 - 1.3 Ti6Al4V traité β 0.1 0.2 0.3 - Couche de TiC (µm) Ti54M 1.4 2.3 3 5 Ti6Al4V α+β 1.6 1.8 - 3.7 Ti6Al4V traité β 1.2 1.3 2.2 -

Table 4.E - Évaluation des différentes épaisseurs affectées pour les différents matériaux.

4.5. Conclusion

Les différents couples de diffusion montrent que le temps à une influence importante sur la concentration du profil de diffusion des éléments de l’outil dans la matrice de titane Ti et no- tamment sur les éléments de l’outil tels que le tungstène, le cobalt et le carbone dont les dis- tances de diffusion sont importantes. La diffusion permet l’apparition d’une couche de carbure de titane TiC non stœchiométrique dont l’épaisseur croit en fonction du temps. Sa présence permet de limiter la diffusion des autres éléments de l’outil (Co, W) dans la matrice Ti. Dans le cas de l’usinage il est très difficile d’observer cette couche car elle est très fine. De plus le renouvellement continu du copeau ne permet pas d’avoir une augmentation de cette couche qui est parfois arrachée. La diffusion est alors plus facile dans ce cas. Enfin, il faut noter que la diffusion du tungstène et des autres éléments dans l’alliage de titane affecte les caractéris- tiques de ce dernier en faisant varier la température de transus β. Le gradient de W au niveau de l’interface de diffusion conduit à une microstructure plus fine que celle observée dans les couches plus éloignées de l’interface.

Les essais d’usinage mettent en avant une température élevée au niveau de l’arête de coupe qui entraine la formation d’une arête rapportée. La diffusion du tungstène de l’outil dans le titane de l’arête rapportée est observée mais la couche de TiC ainsi que le cobalt de l’outil n’apparaissent pas sur l’analyse. En effet la concentration de ces éléments est trop faible pour pouvoir être observée avec la sonde. Leur concentration est alors noyée dans le bruit de mesure.

La diffusion des éléments de l’outil est principalement due à l’interaction du C avec le ti- tane de la pièce pour former une couche de TiC. L’épaisseur de la couche de TiC est identique entre les trois matériaux. Ainsi les autres éléments de la matrice n’influent pas de manière significative sur la cinétique de formation des couches.

Dans le futur, afin de se rapprocher au plus près des conditions d’usinage, il serait intéres- sant de considérer deux facteurs importants qui sont présents durant l’usinage. Le premier est l’influence du chargement mécanique entre les deux corps qui cause une déformation plastique importante du matériau usinée (copeau) sur la face de coupe de l’outil (zone de cisaillement secondaire) et peut ainsi accélérer le processus de diffusion. En effet la littérature [Pollock et al. 70] a montré qu’une activation thermomécanique permettait d’accélérer le processus de diffusion et la formation des carbures. Le second point intéressant à étudier est l’impact de la vitesse de chauffe sur la diffusion. En effet, durant l’usinage, les montées en température sont extrêmement violentes contrairement aux essais dans un four de traitement thermique. Pour

125 répondre à cette deuxième problématique, il serait intéressant de réfléchir à une expérimenta- tion permettant de réaliser un chauffage très rapide. Par exemple, il peut être possible d’utiliser un moyen d’essais type Gleeble qui permet de réaliser des essais de compression à chaud avec des vitesses de chauffe pouvant atteindre les 10 000 °C.s-1 _{et pouvant fournir un}

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Chapitre 5