Journées d’Etude Matériaux et Procédés JMP2012
Résumé: Les transformations de phase occupent une place im- portante dans l’étude des alliages métalliques. La technique de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est largement utili- sée à cette fin. Dans ce travail, nous avons étudié les cinétiques de la transformation de phase β→α dans des soudures d’alliage TA6V en refroidissement continu. Deux vitesses de refroidisse- ment ont été retenues : 20 et 30 °C/min, l’étude a concerné les trois zones de la soudure : le métal de base (MB), la zone affec- tée thermiquement (ZAT) et la zone fondue (ZF).
Mots clefs : soudage, TA6V, DSC, refroidissement conti- nu
1. Introduction
Le titane est un élément de transition de structure hexago- nale compacte (appelée phase α) aux basses températures.
Cependant, aux hautes températures, il passe, par trans- formation allotropique, à une structure cubique centrée (appelée phase β). Allié avec l’aluminium (06%) et le va- nadium (4%), l’alliage ainsi formé (TA6V) est largement utilisé dans l’industrie aéronautique pour sa bonne résis- tance à la corrosion, à la fatigue et au fluage [1]. Ce maté- riau subit d’importantes modifications structurales durant le recuit ou durant la trempe. A cet effet, nous nous propo- sons d’étudier les cinétiques de transformations de phases lors d’un refroidissement continu à vitesse constante et l’effet de l’opération de soudage sur ces cinétiques.
2. Procédure expérimentale
Le changement de phase étudié est le passage, par refroi- dissement, de la phase β vers la phase α dans les trois zones de la soudure (métal de base, ZAT et zone fondue).
L’étude des cinétiques isochrones de transformation de phase a été réalisée par calorimétrie différentielle à ba- layage (DSC).
Dans ce travail, deux vitesses de refroidissement ont été retenues : 20 et 30 °C/min, les expériences ont été réali- sées sous vide et sous une atmosphère protectrice (gaz inerte) pour éviter le risque d’oxydation de notre alliage.
Le cycle thermique utilisé consiste en :
Un chauffage à vitesse constante (20 °C/min) jus- qu’à une température de 1100 °C ;
Un maintien à 1100 °C pendant 20 min suivi d’un refroidissement suivant les vitesses citées ci- dessus.
3. Résultats et discussion
La figure 1 montre les résultats obtenus à partir de la DSC.
La fraction volumique transformée est calculée en utilisant la relation suivante :
Tf
Ts T
Ts
HdT HdT T
f( )
Où : H est le flux de chaleur mesuré, f(T) est la fraction volumique transformée à la température T, Ts est la tempé- rature de début de transformation et Tf est la température de fin de transformation.
3.1. Effet de la vitesse de refroidissement sur la ci- nétique de transformation de phase
La figure 2 montre le diagramme TRC de l’alliage TA6V [2]. Nous constatons que pour la quasi-totalité des vitesses de refroidissement, la température de début de la trans- formation β→α est comprise dans un intervalle de tempé- ratures allant de 900 à 1000 °C. Une température de 970
°C a été prise comme température de début de transforma- tion dans les travaux de S. MALINOV et al [3].
Fig.2 Diagramme TRC de l’alliage TA6V.
Etude des cinétiques isochrones de la transformation de phase β→α dans l’alliage de titane TA6V
M. N. KHERROUBA1, M. M. BRAHIM1, R. BADJI1, M. BOUABDALLAH2
1 Centre de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle, Cheraga, Alger
2 Laboratoire de Génie Sismique et Dynamique des Structures, Ecole Nationale Polytechnique, Alger
700 750 800 850 900 950 1000
0,0 0,1 0,2 0,3
Heat flow (W/gr)
T (°C)
MB ZAT ZF
Fig.1 Résultats de la DSC pour la vitesse de refroidissement de 20 °C/min
[1]
Dans la figure 3 nous présentons l’évolution de la frac- tion transformée en fonction de la température pour les deux vitesses de refroidissement. Nous constatons que plus la vitesse de refroidissement est faible, plus la ciné- tique de changement de phase est rapide. En effet, un refroidissement lent permet la diffusion des atomes entre les phases α et β. Un refroidissement très rapide empêche la diffusion et permet de figer la structure de haute tem- pérature.
840 850 860 870 880 890 900 910 920 930 940
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
TA6V ZAT refroi V=20 TA6V ZAT refroi V=30
Fig.3 Effet de la vitesse de refroidissement sur la cinétique de trans- formation de phase
1.1. Effet des cycles thermiques de soudage sur la cinétique de transformation de phase
La figure 4 montre l’évolution de la fraction volumique transformée en fonction de la température dans les trois zones de la soudure. Nous remarquons que l’allure des courbes change en allant d’une zone à une autre. Si l’on considère que la cinétique de transformation isochrone peut être modélisée en utilisant l’équation de Johnsson- Mehl-Avrami [4], nous pouvons donc admettre que le changement d’allure des courbes des cinétiques de chan- gement de phase dans les trois zones de soudage reflète l’existence de mécanismes différents d’apparition de la phase α sous différentes géométries.
700 750 800 850 900 950 1000
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
fracrtion volumique transformée
T (°C)
MB ZAT ZF
Fig.4 Evolution de la fraction volumique transformée en fonction de la température au niveau des trois zones de la soudure
2. Conclusion
Nous avons essayé dans ce travail d’étudier les ciné- tiques de la transformation de phase β→α dans une sou- dure en alliage de titane (le TA6V). Les résultats mon- trent que plus la vitesse de refroidissement est élevée plus la cinétique de changement de phase est rapide.
Les mécanismes de transformation de phase sont diffé- rents selon la zone de la soudure où a lieu la transforma- tion de phase.
3. Références
[1] M.J.Donachie, Titanuim a technical guide , 2000 ASM Internatio- nal, Ohio : 2000 , 11,12.
[2] F. Le Maitre, “Etude des transformations en refroidissement con- tinu de l’alliage de titane TA6V, Mémoires et Etudes scienti- fiques,” Revue de Métallurgie LXVII, vol. 9, 2000, pp. 563-574.
[3] S.Malinov, Z.Guo, W.Sha & A.Wilson, “Differential Scanning Calorimetry Study and Computer Modeling of β→α phase trans- formation in a Ti-6Al-4V Alloy,” Metallurgical and materials transactions A, vol. 32A, April, 2000, pp. 879-887.
[4] M.AVRAMI, “Kinetic of phase change. II, Transformation-Time Relation for Random Distribution of Nuclei”, Journal of Chemi- cal Physics, vol. 8, February 1940, pp. 212-224.
