Séminaire de Mécanique, SNM’13
Caractérisation mécanique et métallurgique de l’alliage TA6V soudé par le procédé TIG
I. Hadji, R. Badji et S. Gachi
Welding and NDT Research Center (CSC), BP 64 CHERAGA - ALGERIA Division of Mechanical and Metallurgical
E-mail : i.hadji@csc.dz
Résumé :
Le titane et ses alliages occupent une place importante dans l’industrie particulièrement l’aéronautique et le spatial. La sensibilité de ces secteurs industriels nous incite à étudier leur comportement microstructural et mécanique sous l’effet de la température. En effet, les procédés de soudage conduisent à des modifications de microstructure et induisent des contraintes et déformations qui sont en rapport direct avec la propagation des dislocations et des défauts et qui jouant un rôle très important sur la tenue mécanique des assemblages.
L’analyse par diffraction des rayons X (DRX) a permis de montrer les principales évolutions des phases de l’alliage soudé TA6V. Ainsi, nous pouvons considérer que trois phases distinctes (la phase α, la phase β et une susceptible apparition de la phase α’).
Des traitements thermiques de relaxation ont été effectués à 650 et 720 °C pour deux heurs de maintien avec un refroidissement à l’aire libre. Ainsi, pour apprécier l’influence du traitement sur la microdureté et la microstructure du cordon, une caractérisation métallurgique et mécanique est effectuée sur les différentes zones à savoir la zone de fusion (ZF), la zone affecté thermiquement (ZAT) et le métal de base (MB).
Mots-clefs : soudage, TA6V, DRX, traitement thermique, microdureté
1 Introduction
L’emploi des alliages de titane dans différents secteurs à savoir l’aéronautiques et le spatial est de plus en plus courant et ne cesse de s’accentuer.
Une résistance spécifique et une utilisation jusqu'à 450 °C offre une excellente combinaison « résistance – ductilité ». Aussi, ces alliages sont caractérisés par une résistance exceptionnelle à la corrosion, ce qui les place devant les alliages d’aluminium et les aciers en termes de propriétés spécifiques. Ceci explique pourquoi, malgré leurs prix relativement élevé, presque la moitié de la demande mondiale dans le domaine aéronautique est destinée pour l’alliage de titane TA6V [1].
L’utilisation de ces alliages au niveau des industries à caractères sensible nécessite une bonne compréhension des phénomènes engendrés par l’opération de soudage afin d’optimiser leur emploi.
Nombreux sont les changements de microstructures dans cet alliage où la forme et la distribution de la phase β et la phase α affectent considérablement les propriétés mécaniques [2].
L’optimisation de l’emploi ainsi que la prolongation de la durée de vie de la structure soudée est étroitement liée au niveau des contraintes résiduelles qui accélère ou retarde l’apparition des fissures et des déformations [3].
En vu de reprendre la structure perturbée par les hautes températures de soudage, un traitement thermique de relaxation est définie en un temps de maintien plus ou moins long dans le domaine des basses températures inferieures à la température transus β où la microstructure évolue peu, suivi d’un refroidissement à l’air.
2 Partie expérimentale
Le matériau de base utilisé dans cette étude est un alliage de titane TA6V, sous forme de tôles mince de dimensions 340x200x2mm, d’une composition chimique présentée dans le tableau 1. Les soudures ont été obtenues en utilisant le procédé de soudage TIG (Tungsten Inert Gas) sous protection gazeuse (Argon) afin d’éviter la contamination par l’air.
Une analyse par DRX a été réalisée au niveau du métal de base (MB), la zone affecté thermiquement (ZAT) et la zone fondue (ZF) en vue d’identifier les phases présentes dans le cordon.
Des échantillons ont été découpés dans le sens transversal de la soudure pour un traitement thermique de relaxation dans les températures 650C°
et 720C° pour deux heurs de maintien et un refroidissement à l’aire libre.
Pour l’observation métallographique, les différents échantillons ont été polis puis attaqués chimiquement
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et 2% HF. Par la suite, des mesures de microdureté ont été effectuées à mi-épaisseur du joint soudé avec une charge de 300g.
TAB.1 : Composition chimique de l’alliage TA6V Eléments (%) ISO 5832-3 Analysé
Al 5.5-6.8 6.38
V O N H C Fe Si
3.5-4.5 0.20 0.05 0.015 0.08 0.3 0.04
3.93 0.17 0.007 0.003 0.013 0.27 0.04
3. Résultats et Discussions
3.1. Caractérisation de l’alliage TA6V par diffraction rayon X (DRX)
La Figure 1 présente le diffractogramme obtenu pour l’alliage TA6V en état reçu. Nous remarquons que les raies de diffraction {1010}, {0002}, {1011}, {1012}, {1120}, {1013} et {2020} sont observées aux positions angulaires analogues à celles de Ti pur (matrice) caractéristique d’une structure hexagonale compacte (HCP) et cubique centré (CC). Nous remarquons que les raies associées à la phase α sont majoritaires par rapport à celle de la phase β.
Les proportions de phase β calculées à partir des aires des pics de diffraction par la méthode de comparaison directe montrent une évolution entre les différentes zones (Tableau 2).
FIG.1 : Analyse par DRX des différentes zones du cordon soudé
TAB.2 : La fraction de la phase β Zone Aire total %Phase β
ZF 331 5.36
ZAT 272 3.35
MB 242 3.25
3.2. Analyse métallographique de l’état brut de soudage :
La Figure 2 montre la micrographie optique du MB qui consiste en une faible proportion de la phase β distribuée dans une matrice de la phase α.
La Figure 3 montre l’observation optique du cordon de soudure. La ZF est caractérisée par une structure fine par rapport à celle du MB, elle est composée de (
α
WI Widmanstatten +β
r résiduelle +α
GBgain boundaryα’
) :
α
WI Widmanstatten formée au cours du refroidissement par germination et croissance le long des plans cristallographiques de la matrice β.
β
r résiduelle résulte du refroidissement hors équilibre de la ZF. αGB intergranulaire (gain boundary) : qui reste présente lorsque le matériau est traité thermiquement dans le domaine biphasé.
α’ : Phase hexagonale comme α, obtenue par le refroidissement rapide de la phase β qui est susceptible d’apparaitre vu que notre vitesse de refroidissement est de 37C°/s ; supérieur à la vitesse limite d’apparition de la martensite calculée par Yung (30C°/s) [4].
La ZAT Pour l’alliage de titane TA6V se décompose en deux parties :
Une 1ère zone affectée thermiquement (ZAT1) correspond au matériau qui a vu une température maximale conduisant à une structure monophasée β (température entre celle de fusion et de transus Tβ), persiste au refroidissement en βr+αWI+αGB+α’ mais avec une proportion moins importante que la ZF.
Une 2ème zone affectée thermiquement (ZAT2) correspond au matériau dont la température ne dépasse pas la température de transus β, elle reste (biphasée au cours du soudage) au refroidissement elle est de structure (αWI+ βr).
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FIG. 2 : Observation optique du MB « TA6V ».
FIG. 3 : Observation optique du cordon soudé
« TA6V ».
3.3. Métallographie après traitement thermique Après traitement thermique, nous remarquons au niveau de la ZF (Figure 4) une croissance proportionnelle de la largeur des aiguilles α avec les températures pour se transformer en colonies de lamelles parallèles plus ou moins enchevêtrées d’épaisseur de plus en plus importante.
De même, la Figure 5 montre au niveau de la ZAT un grossissement significatif des grains au fur à mesure que la température augmente. Cela a pour effet une diminution de la densité des dislocations causée par le mouvement de ces dernières vers les joints de grains.
FIG.4 : Croissance du diamètre des aiguilles α avec les températures du traitement dans la ZF.
FIG.5 : Grossissement proportionnel des grains dans la ZAT avec la température du traitement.
3.4. Mesures de la microdureté avant et après traitement thermique
La Figure 6 présente le profil de la microdureté d’un échantillon non traité (NT). Nous constatons que la valeur de la microdureté mesurée dans la (ZF) est plus importante par rapport à celle du métal de base (MB). Ceci est dû à la structure fine des aiguilles de la phase α et une susceptible apparition de la martensite α’ (phase durcissante). Selon Fujita et All [5], la ductilité décroit pour des apports calorifiques supérieurs à 6.6kJ/cm ce qui confirme nos résultats du moment que l’énergie réelle utiliser dans le soudage est de 7,35 kJ/cm.
La Figure 7 montre la relation entre la microdureté et le traitement thermique. La microdureté diminue avec l’augmentation de la température qui est proportionnelle à l’augmentation de la fraction de la phase β [6] (grain β riche en vanadium).
FIG.6 : Profil de microdureté à travers un joint soudé non traité.
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FIG.7 : Profils de microdureté de l’alliage TA6V pour différentes températures.
4 Conclusions
Les conclusions que nous pouvons tirer de
la caractérisation mécanique et métallurgique de l’alliage TA6V soudé par TIGse résument comme suit :
La fusion conduit à des structures aciculaires qui peuvent avoir une ductilité médiocre.
L’analyse des phases par DRX montre la présence des phases α et β où la phase α est majoritaire. Cette analyse a montré aussi que l’équilibre des phases α et β change de manière significative lors du soudage TIG avec une évolution de la phase β entre les différentes zones.
La croissance de la largeur des aiguilles α est proportionnelle avec les températures du traitement et qui se transforme en colonies de lamelles parallèles plus ou moins enchevêtrées,
conduisant à
unediminution de la densité des dislocations causées par le mouvement de ces dernières vers les joints de grains.
La microdureté dans la ZF est plus importante par rapport à celle du MB, Attribué à la présence de la martensite α’ (phase durcissante). La forme et la distribution de la phase α a provoqué une chute de microdureté au fur à mesure que la température du traitement augmente.
Références
[1] Leyens and M. Peters “Titanium and Titanium Alloys”,WILEY-VCH, 2006.
[2] T.S.Balasubramanian, “Influence of welding processes on microstructure, tensile and impact
properties of Ti6Al4V alloy joints”, Trans.
Nonferrous Met. 1262 Soc. pp. 1253−1262, 2011
[3] M. Mochizuki, M. Hayashi and T. Hattori,
“Residual stress distribution depending on welding sequence in multi-pass welded joints with X-shaped groove”, Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, 122(1). pp. 27-32, 2000.
[4] K. C. Yung, B. Ralph, “An investigation into welding parameters affecting the tensile properties of titanium welds”, Journal of Materials Processing technology, 63.pp.759- 764, 1997.
[5] M. Fujita, Y. Kawabe, “Mechanical properties of electron beam welded joints in solution treated and aged TA6V alloys”, Journal of Iron and Steel Institute, Japan, pp.678-684, 1986 [6] Toshio Enjo, “Microstructure and mechanical
properties in weld heat affected zone of titanium alloy”, welding research institute of Osaka, 1988
