3ème Conférence Internationale sur
le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,
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EFFET D’UN TRAITMENT THERMIQUE SUR LA MICROSTRUCTURE DE SOUDURE D’ALLIAGE DE TITANE
N. KHERROUBA1, K. ZOUMALI2, C. BANANA3, R. BADJI4, M. BOUABDALLAHA5 1: , DMM, CSC, Route de Dély Ibrahim, BP 64, Chéraga – Alger, [email protected]
2: Département de Métallurgie, ENP 10 Avenue Hacen Badi El Harrach – Alger, [email protected] 3: Département de Métallurgie, ENP 10 Avenue Hacen Badi El Harrach – Alger, [email protected]
4: DMM, CSC, Route de Dély Ibrahim, BP 64, Chéraga – Alger, [email protected] 5: Département de Métallurgie, ENP 10 Avenue Hacen Badi El Harrach – Alger,
Résumé :
L’effet d’un traitement thermique sur la microstructure de soudures d’alliage de titane Ti-6Al-4V est mis en évidence. Pour cela, nous avons réalisé des maintiens pendant une heure à différentes températures suivis de refroidissements dans le four et à l’air libre. Ces traitements ont engendré l’apparition de plusieurs phases, dont la phase α (αGB et αWGB), la phase β non transformée et la martensite α`. Des observations au microscope optique ainsi que des mesures de microdureté ont permis de suivre ces évolutions.
Mots clés : Ti-6Al-4V, soudage, traitement thermique, 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 contient 0.6%) [1], 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, stable aux basses températures et la phase β, de structure cubique centrée, avec un paramètre de maille à 25 °C : a=0.332 nm, stable aux hautes températures.
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 [2].
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 [3].
(1 1 0)β // (0 0 0 1)α [1 1 1]β // [1 1 2 0]α
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 181 Le traitement thermique a pour base le fait que l’on peut obtenir, par trempe de la phase β, une forme métastable (α`+βm) qui sera susceptible de modification par retour à l’équilibre structural [4].
Le type de phases présentes et leurs morphologies influent sur les propriétés et la microstructure finale de l’alliage. C’est ainsi qu’on se propose, dans ce travail, de suivre ces effets.
2 Procédure expérimentale
Les échantillons utilisés dans cette étude ont été découpés sous forme rectangulaire (30mm×5mm×2mm) à partir d’une tôle soudée. Ces échantillons ont, ensuite, subit un traitement thermique dans un four sous vide primaire (10-2 bars). Le traitement thermique consiste en un maintien pendant une heure à différentes températures suivis de refroidissements dans le four et à l’air libre. Quatre températures ont été choisies : 1000,900, 700 et 500 °C.
Après le traitement, les échantillons ont été enrobés à froid puis polis et enfin attaqué chimiquement, la solution d’attaque chimique retenue étant composée de (10ml HF, 5ml HNO3, et 85ml eau) [5].
3 Résultats et interprétations
3.1
Evolution microstructurale lors de l’opération de soudage
La figure 1 représente l’ensemble des zones de la soudure de l’alliage Ti-6AL-4V.
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 182 Dans le métal de base (Fig.1.a), on remarque une structure biphasée. En effet, les grains de phase β sont répartis de manière homogène dans une matrice α.
Dans la zone affectée thermiquement (ZAT) (Fig.1.b), on observe l’apparition de la phase αGB (α Grain Boundary) au niveau des joints de grains β/β sous forme de liseré. On assiste, aussi, à l’apparition de αWGB
(α Widmanstätten Grain Boundary) à partir des lamelles αGB. On observe, aussi, dans la ZAT des aiguilles de martensite α` (de réseau HC et de composition chimique semblable à celle de la phase β). Les micrographies de la ZAT ayant été prises au voisinage proche de la zone fondue (ZF), cette zone (ZAT surchauffe) est portée à une température très élevée qui peut atteindre 900 °C. Ainsi, la microstructure dans cette zone, sera constituée de grains β, au cours du refroidissement on assiste à l’apparition de la phase α au niveau des joints β/β. On remarque, aussi, le grossissement des grains β dans la ZAT.
Dans la ZF (Fig.1.c), la microstructure, après solidification, est constituée exclusivement de grains β sous forme epitaxiale puisqu’ils germent à partir des grains de la ZAT. Au cours du refroidissement, on observe la formation de la phase α et α` au niveau des joints de grains β/β. Notons, aussi, que les aiguilles enchevêtrées de la phase α présentent des orientations préférentielles.
3.2
Evolution microstructurale lors d’un traitement thermique
Dans la Fig.2 on constate l’évolution de la microstructure dans la ZAT des échantillons traités dans les
a) b)
c) d)
Figure1 : Microstructure optique d’une soudure du TA6V :a)MB×200. b) ZAT×200. c) ZF×200. d) ZF ×500
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 183 températures 1000, 900, 700 et 500 °C dans les deux milieux de refroidissement (four et air).
En premier lieu, on observe une microstructure constituée de β + α + α`. Nous constatons, aussi, que plus la température de traitement augmente les grains deviennent plus gros. Egalement, la largeur des lamelles sera diminuée si la température de traitement diminue. On outre, la quantité de martensite devient de plus en plus importante si la température de traitement diminue, surtout à la température de 700 °C. Par contre, à la température de 500 °C, on remarque l’absence de la martensite ou sa présence avec des quantités négligeables puisque la température de 500 °C est inférieure à Mf. par ailleurs, dans le refroidissement à l’air, la quantité de martensite est remarquable par rapport au refroidissement au four.
(a)
100 µm
(e)
100 µm
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100 µm
(f)
100 µm
(c)
100 µm
(g)
100 µm
(h)
100 µm
(d)
100 µm
Figure2 : Microstructure optique de la ZAT d’une soudure du TA6V dans le four : a)1000 °C, b) 900
°C, c) 700 °C, d) 500 °C ; à l’air libre : e)1000 °C, f) 900 °C, g) 700 °C, h) 500 °C
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Evolution de la microdureté
La Fig.3 montre l’effet des cycles de soudage ainsi que les traitements thermiques sur la microdureté. On remarque une augmentation régulière de la microdureté à l’approche de la ligne de fusion, puisque les contraintes résiduelles induites par les cycles de soudage sont très importantes dans la ZF. De plus, la microstructure est plus fine ce qui implique une augmentation de la densité des joints de grains.
Concernant la ZAT, on assiste à un grossissement des grains, on s’attend donc à une chute de la microdureté mais celle-ci est plus élevée que celle du Métal de Base (MB) à cause de l’effet de la présence de la martensite (la martensite étant la plus dure).
Nous constatons aussi qu’à fur et à mesure que la température du traitement thermique augmente le profil de microdureté diminue. Cela peut être expliqué par la diminution des contraintes résiduelles et le grossissement des grains. Par contre, la microdureté à 700 °C est élevée à cause de la présence de la martensite en quantité importante (Mf<700 °C<Ms). Egalement, la présence de la martensite est importante dans les échantillons refroidis à l’air que ceux refroidis dans le four.
0 2 4 6 8 10 12 14
300 320 340 360 380
microdureté (HV)
distance (mm)
NT 1000 °C 900 °C 700 °C 500 °C
4 Conclusion
Les résultats obtenus à partir de ce travail nous permettent de tirer les conclusions suivantes :
L’opération de soudage conduit à l’apparition de trois zones (MB, ZAT et ZF). Ces zones sont différentes d’un point de vue microstructural. En effet, les cycles thermiques de soudage imposés par le soudage engendrent l’apparition de nouvelles phases. De plus, on assiste au niveau de la Figure3 : Profils de microdureté après refroidissement à l’air à partir des températures 1000, 900,
700 et 500 °C
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 186 ZAT à un grossissement des grains. Aussi, les vitesses de refroidissement rencontrées dans l’opération de soudage provoquent l’apparition de la martensite plus particulièrement dans la ZF.
Les traitements thermiques ont eu pour effet de causer un grossissement des grains, la formation de nouvelles phases (αGB, αWGB et α`), le refroidissement au four n’ayant pas provoqué la formation de la martensite. Aussi, on constate que plus la vitesse de refroidissement est rapide plus les lamelles de la phase α qui apparaissent sont fines.
La microdureté varie sensiblement avec la température du traitement thermique. Ainsi, plus la température du traitement thermique est élevée plus la microdureté est faible.
Références
[1] Gerd Lütjering, James. C. Williams "Titanium", Engineering Materials and Processes, 2nd edition, Springer, 2007.
[2] Kristell Le Biavant-Guerrier, "Etude de l’amorçage de fissures de fatigue dans le Ti-6Al-4V", Thèse de doctorat, Ecole Centrale Paris, 2000, Paris.
[3] Frédéric Prima, "Etude métallurgique d’un nouvel alliage de titane β-métastable", Thèse de doctorat, Institut National des Sciences Appliquées de Rennes, 2000, Rennes.
[4] Yves Combres, Bernard Champin, "Traitements thermiques des alliages de titane", M 1335, Traité Matériaux Métalliques, 1999, Techniques de l’ingénieur.
[5] George F. Vander Voort, "Metallography And Microstructures", ASM Handbook, Volume 9, 2004.
