Characterisation microstructurale des soudures en alliage de titane TA6V
N. Kherrouba, R. Badji, M. Bouabdallah
Centre de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle, Cheraga, Alger Laboratoire de Génie Sismique et Dynamique des Structures, Ecole Nationale Polytechnique, Alger
Résumé
Le titane et ses alliages occupant une place importante dans le secteur industriel particulièrement l’industrie aéronautique. Ceci est dû à diverses cactéristiques qu’il présente, entre autre, sa faible densité, sa très bonne résistence à la corrosion, à la fatigue et au fluage [1]. Nous nous proposons, dans ce travail, de caractériser (par métallographie, DRX et étude de la microdureté) une soudure de l’alliage TA6V, en tenant compte de l’effet des cycles de soudage.
Mots clés: TA6V, soudage, microdureté.
1.Introduction
Le Titane est un élément de transition, il est, de par son abondance, 9ème élément de l’écorce terrestre (celle-ci en contenant 0.57%), les minerais de titane les plus importants étant : l'ilménite (FeTiO3), le rutile (TiO2). Le titane est caractérisé par une transformation allotropique. En effet, il est présent sous forme de deux structures cristallographiques différentes. La phase α, de structure hexagonale compacte de paramètres de maille à 25 °C : a=0.295 nm
c=0.468 nm
La phase α est stable aux basses températures. Notons par ailleurs que le rapport c/a dans ce cas est de 1.587. Ce rapport est inférieur au rapport théorique de compacité idéale du réseau hexagonal. Ainsi, les plans prismatiques et pyramidaux deviennent aussi des plans de haute densité en plus du plan basal, ce qui engendre la multiplication des plans de glissement et de maclage et explique, en partie, la ductilité relativement importante du titane par rapport à d’autres systèmes hexagonaux.
La phase β, de structure cubique centrée, avec un paramètre de maille à 25 °C : a=0.332 nm
la phase β est stable aux hautes temperatures.
Le passage d’une phase à l’autre a lieu à une température appelée transus β. Pour le titane pur cette température est de 882 °C.
La transformation allotropique β→α est une transformation de type martensitique. D’un point de vue cristallographique cette transformation est caractérisée par une relation d’orientation décrite par le modèle de burger [2].
(1 1 0)β // (0 0 0 1)α [1 1 1]β // [1 1 2 0]α
Selon ce modèle, le passage d’une phase à une autre a lieu par un faible déplacement (inférieur à la distance interatomique) et un léger réarrangement des atomes, n’impliquant pas de mécanismes de diffusion.
Cependant, il a été observé que les relations d’orientation décrites précédemment demeurent conservées mêmes à des vitesses de transformation lentes [3]. Ce qui implique l’apparition de la nouvelle phase par un mécanisme de germination croissance classique mettant en évidence des déplacements atomiques à de plus grandes distances (mécanisme diffusionnel).
On peut d’une manière générale considérer que la transformation allotropique a lieu par germination athermique via un mécanisme de cisaillement et par croissance contrôlée par un processus diffusionnel.
2. Results and discussion
2.1. Caractérisation métallographique
Les résultats de nos observations au microscope optique sont illustrés dans la Figure 1.
2.1.1. Effet du soudage sur la microstructure
Dans le métal de base (MB), la microstructure se présente sous forme de particules globulaires de phase β dans une matrice α. Dans la zone affectée thermiquement (ZAT), nous observons un grossissement des grains β et l’apparition de lamelles fines de phase α. Le grossissement des grains β est d’autant plus important dans la zone fondue (ZF). Les lamelles αGB apparaissent sur les joints de grains β/β sous forme de liseré puis apparait la phase αWGB
(Figure 1d).
2.1.2. Effet d’un traitement thermique de revenu
La Figure 2 montre l’effet d’une mise en solution à 1100 °C suivie d’une trempe à l’eau puis d’un revenu à 650 °C pendant 1 heure. On constate, en effet, un grossissement des grains β, l’élargissement des lamelles de phase α.
a) b)
c) d)
Figure1 : Microstructure optique d’une soudure du TA6V :a)MB×200. b) ZAT×200. c) ZF×200. d) ZF
×500
2.2. Caractérisation par DRX
La Figure 3 regroupe les diffractogrammes obtenues pour les trois zones d’une soudure en TA6V.
a) b)
Figure 2 :Effet d’un revenu à 650 °C sur une soudure du TA6V :a)MB×200. b) ZAT×200.
20 40 60 80 100
0 200 400 600
MB ZAT ZF
Counts
2 Theta (°)
Figure 3: Résultats de la diffraction des rayons X dans les trois zones d’une soudure en TA6V
2.3. Etude du profil de microdureté
Nous avons tracé le profil de dureté dans les trois zones de la soudure et étudié l’effet d’un traitement thermique de maintien. La figure 4 montre l’évolution de la dureté dans une soudure en TA6V n’ayant subit aucun traitement thermique ultérieur. Nous constatons que la ZF présente les valeurs de dureté les plus élevées, ensuite la dureté va en diminuant jusqu’au MB en passant par la ZAT. En effet, lors de l’opération de soudage, les cycles thermiques imposés (refroidissement rapide) provoquent l’apparition de la martensite α`. Cette phase est aussi susceptible d’apparaître dans la ZAT, ce qui explique les valeurs élevées de dureté prélevées dans ces zones.
Nous présentons dans la Figure 5 l’effet d’un traitement thermique sur l’évolution de la dureté. Nous remarquons qu’un maintien à 650 °C pendant 1 heure engendre la baisse de la dureté dans les trois zones de la soudure. Cette diminution peut être expliquée par le fait qu’après un traitement thermique de maintien à 650 °C, nous assistons au grossissement des grains β et par conséquent à la diminution de la densité de joints de grains, ainsi qu’à l’élargissement des lamelles de phase α.
Figure 4 : Evolution de la microdureté le long d’une soudure en TA6V
-2 0 2 4 6 8 10 12
320 330 340 350 360 370 380 390 400
hv (300 gf)
distance (mm)
NT
-2 0 2 4 6 8 10 12 14 320
340 360 380 400
650°C hv
hv (300 gf)
distance (mm)
Figure 5 : Effet d’un traitement thermique sur la microdureté
3. Conclusion
Nous avons essayé, dans ce travail, de caractériser une soudure de TA6V. Suite à cette étude nous avons retenu ce qui suit :
La transformation, en refroidissement continu, de la phase β→α a lieu par un mécanisme type martensitique. Nous avons, dans un premier temps, l’apparition d’un liseré de phase αGB qui prend naissance au niveau des joints de grains β/β. Puis ces lamelles de phase αGB, deviennent des site préférentiels pour l’apparition de l phase αWGB.
Nous constatons aussi l’apparition de la phase martensitique (α`) pour des refroidissements rapides (dans la ZAT et la ZF).
Un traitement thermique de revenu engendre le grossissement des grains de la phase β, l’élargissement des lamelles de phase α et la diminution des valeurs de la microdureté.
4. References
[1] M.J.Donachie, Titanuim a technical guide , 2000 ASM International, Ohio : 2000 , pp. 11,12.
[2] F. Prima, Etude métallurgique d’une nouvel alliage de titane β-métastable, INSAR (2006), p. 15.
[3] K. Le Bavianr-Guerrier, Etude de l’amorçage de fissures de fatigue dans le Ti-6Al-4V, centrale paris, (2000), p. 10.
