COMPORTEMENT A L'EROSION DU TA6V TRAITE SUPERFICIELLEMENT PAR LASER

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HAL Id: jpa-00227004

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Submitted on 1 Jan 1987

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COMPORTEMENT A L’EROSION DU TA6V TRAITE SUPERFICIELLEMENT PAR LASER

J. Massoud, M. Collin, J. Fachinetti, G. Coquerelle

To cite this version:

J. Massoud, M. Collin, J. Fachinetti, G. Coquerelle. COMPORTEMENT A L’EROSION DU TA6V

TRAITE SUPERFICIELLEMENT PAR LASER. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C7),

pp.C7-111-C7-114. �10.1051/jphyscol:1987718�. �jpa-00227004�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C7, supplément au n°12, Tome 48, décembre 1987 C7-111

COMPORTEMENT A L'EROSION DU TA6V TRAITE SUPERFICIELLEMENT PAR LASER

J.P. MASSOUD, M. COLLIN, J.L. FACHINETTI et G. COQUERELLE DRET/ETCA, 16 bis, Avenue Frieur-de-la-Côte-d'Or,

F-94114 Arcuell Cedex, France

Abstract

Particle erosion experiments were performed on titanium alloy (Ti-6A)-4V) samples superficially treated by Laser.

Laser heat treatments were applied and tested ( by comparison with conventional heat treatments). Nitrided, carburized and boronitrided coatings were thus obtained and studied by metallography, Scanning Electron Microscopy (S.E.M.), microhardness and roughness measurements. Topographic features and damage mechanisms associated with erosive-particle impact craters were described for each treatment when erosion rates were evaluated by measuring the weight loss produced by the erosion test.

I Introduction

L'érosion due à des petites particules solides est un mode d'usure fréquent et souvent catastrophique des composants de turbines (notamment dans le cas d'alliages de titane comme le TA6V).

Des travaux antérieurs ont montré que cette érosion par des particules était un phénomène complexe résultant de mécanismes divers ( déformation, micro-usinage, formation de languettes, fissurations, fusions ponctuelles, cisaillements adiabatiques,... ) dont il n'est pas aisé de déterminer les effets respectifs. Pour cette raison, les remèdes apportés ( sous forme de traitements de surface) doivent répondre à des exigences parfois contradictoires. D'où l'idée de réaliser des structures superficielles composites qui permettent un bon compromis de toutes les propriétés requises.

L'utilisation de traitements Laser apparait alors appropriée du fait de la souplesse de leur réalisation, de la large gamme de structures et des faibles zones affectées qu'ils permettent d'obtenir.

Dans cette optique, ont été réalisés et testés en érosion sur un alliage TA6Y, des trempes superficielles par Laser ( comparées à des traitements thermiques classiques) puis différents alliages et dépôts ( couches de nitruration, carburation et boronitruration).

II Conditions expérimentales

_ Alliage utilisé = alliage de titane commercial ( TA6V) °( +Cî>.

_ Mode de traitement = Laser C02 continu de forte puissance ( 1 - 5 kW)

_ Test d'érosion = consiste en un jet de poudres anguleuses de carbure de silicium ( Diamètre:

160 microns ), envoyées sur le matériau à tester avec des vitesses de l'ordre de ! 00 m/s et sous des angles d'attaque pouvant varier de 25 à 90°.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987718

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JOURNAL

DE

PHYSIQUE

III 1

Tremoesuoerflcielle

^.

.

Les échantillons ainsi traités présentent des structures aciculaires, ( O('

de

type martensitique) sur des épaisseurs

de

quelques dizièmes cfe millimètres, semblables à celles obtenues par trempe à l'eau classique ( dureté de l'ordre de 450 Hvg, 1 ) mais résistent beaucoup mieux à l'érosion ( effets combinés

de

la couche et du substrat ).

Après traitement Laçer à l'état solide sous atmosphère réactive d'azote, il apparait une couche nitrurée ( structure : TiN

,

épaisseur : 2 à 3 microns, dureté : 2000 HvOto5 sur une zone trempée de structure o('

Le comportement

de

ces couches en érosion est montré figure 1 . Après un certain nombre d'impacts ( soient 250000/cm2 ) , l a couche nitrurée est toujours résistante mais mmmence à subis quelques dommages en certains points ( 1-2 ). Si le test d'érosion est poursuivi, la couche nitrurée commence à se fissurer, puis subit quelques déformations et est enfoncée dans le matériau avec des fragments

de

particules érodantes ( 1 - 3

1.

Elle reste cependant toujours très dhérente.

Après cele, un enlèvement

de

matière plus considérable est possible ( 1-4 ) semblable à celui du métal non revêtu ( droites

de

pentes similaires ).

En conséquence, pour

des

conditions d'érosion pss trop sévères, la nitruration L m r parait être une technique enmurageante contre 1:usure érosive.

Ce peut être aussi une r k t i o n

de

surface permettant d'améliorer les propriétés tribologiques du titene. La solubilité du carbone dans le titane étant basse, la formation

des

carbures est obtenue pour des pourcentages

de

carbone très faibles. La carburation par Laser du TA6V ( è partir d'un prédépôt de graphite ou sous une atmosphère réactive

de

méthane) conduit à la formation d'une structure typique de carbures TiC en bâtonnets Ce 1 à 2 microns& long dans une matrice

de

titane aciculaire. Cependant la fragilité excessive de ES carbures ne leur permet pas

de

servir

de

points d'arrêts au micro-usinage de la surface par les particules anguleuses. En effet i l s sont dPjà fissurés ( sur plusieurs microns ) et fragmentés lorsque l'enlèvement de matière se produit à leur niveau.

Les

dépôts borurés sur alliages de titane sont réputés &ns la littérature pour leur bonne résistance à l'érosion par

des

particules à grande vitesse tant du fait

de

leur dureté importante que de leur haut module d'Young. A la suite

de

ces travaux,

des

dépôts durs

de

TiNtTiB ont été formés par fusion Laser d'un prédépôt

de

BN hexagonal ( graphite blanc). Ces couches

de

borures et nitrures (sur 3 0 microns) peuvent atteindre des microduretés

de

1400 H v ~ , ~ ~ en surface. Les tests d'erosion montrent une bonne résistance

de

cette couche dure et dense tant qu'elle n'est pas complètement enlevée. Néanmoins, les résultats sont moins bons que pour la couche nitrurée car elle a davantage tendance à se fissurer. Mais selon l'énergie apportée, différents taux

de

dilution peuvent êtreatteints : il est donc possible de jouer sur la fragilité

de

la couche formée par une plus grande dilution dans le substrat.

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Am

perte de masse 2

II

5

O

1

nombre évalué d'impacts par cm2

2.5

5

7.5 1 O 12.5

><]O5

'

Figure 1 : Courbe de perte de masse cumulée pour le TA6V et le TA6V nitruré

Arnim

I aux d'érosion ⁱ^TA6V

O Traitement thermique laser

O Nitruration laser

,

Carburation laser

a Boronitmtion laser

4 angle d'incidence

2-1 '

1 I I I I 1 I I 1

O 10 30 50 70 90

^{( O 1}

Figure 2 : Cowbe d'érosion nicapitutative en fonction de i'angle d'incidence des particules érodantes.

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C7-114 JOURNAL

DE

PHYSIQUE

Figure 3 Injection de poudres de TiBz sur alliage TA6V

La réalisation finale dune structure composite suffisamment ductile pour absorber l'énergie cinétique

des

particules incidentes sous forme de déformation plastique, et comprenant usez

de

phases dures judicieusement réparties pour faire obstacle au micro-usinage,nous a conduit a envisager

des

structures dispersoïm. C'est l e but

de

l'injection

de

poudres de Ti82 dans le substrat titane qui permet

de

disperser des particules dures

de

Ti82 non complètement fondues(2400 Hvo,, ) dans une matrice plus molle ( 6 0 0 Hvo, enrichie cependant en bore ( Figure 2).

Les résultats des tests d'érosion sont reportés sur la figure 3 à titre

de

comparaison avec le métal non traité.

Outre

des

améliorations significatives en érosion dans le

cas

des cauches de nitruration et boronitruretion, les traitements

de

surfece par Laser qui ont été réelisés sont aussi intéressankpour étudier l'effet

de

la structure du matériau sur l'érasion.

De plus ces traitements n'affectent pas en profondeur le matériau qui conserve seç caractéristiques initiales. C'est donc une technique prometteuse en terme d'épaisseur, d'adhérence et

de

propriétés

des

couches pour améliorer les caractéristiques tribologiques

des

matériaux.

1 T.R. TUCKER, A.M. CLAUER, 1.6. WRIGHT, Thin solid films, 1 18 ( 1984) 73-84 2 A.V. LEVY, Proc. 5th Int. Conf. on erosion by liquid and solid impact

Cambridge, England, 1979, p 39- 1-39-9 3

5.

COQUERELLE, J.P. MASSOUD, M. COLLIN

Proc. international Conf. on Ti products and applications 19-22/ 10/86, San Francisa,