Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR DEMUTI dont l’objectif a été de comprendre et de quantifier l’impact des éléments microstructuraux de l'alliage de titane beta-métastable Ti-5553 sur son usinabilité et l’usure des outils de coupe. Ainsi, différentes microstructures dites « modèles » ont été élaborée afin d’étudier l’influence de la microstructure initiale et de la vitesse de chauffage sur les mécanismes et la cinétique de dissolution de la phase α lors d’un chauffage continu rapide afin de rendre compte de l’échauffement local en pointe d’outil. En complément, la diffusion chimique entre les alliages de titane et les outils de type WC-Co a été étudié pour comprendre plus avant les mécanismes d’usure assistée par la diffusion chimique.
Sept chemins thermiques permettant d’obtenir des microstructures modèles avec des fractions de phase, des morphologies, des tailles et des répartitions spatiales de phase α différentes ont été définis. Les matériaux correspondant ont été fabriqués et leurs caractéristiques microstructurales ont été déterminées. Des résultats d’essais de rabotage réalisés par le laboratoire partenaire du LAMPA (Angers) ont été exploités pour mettre en relation les spécificités microstructurales, la microdureté et les efforts d’usinage induits lors du rabotage. Les paramètres influents ont été déterminés.
Les transformations de phases en chauffage rapide continu jusqu’à 100 °C·s-1 ont été investiguées en s’appuyant principalement sur des mesures in situ obtenues par diffraction des rayons X synchrotron haute énergie. Comme attendu, la cinétique de transformation α+β→β pour l’alliage Ti 5553 est plus lente en comparaison à celle rapportée dans la littérature pour l’alliage Ti 64. Les résultats obtenus ont également permis de montrer que la cinétique de transformation dépend non seulement de la vitesse de chauffage mais aussi de la morphologie et de la taille des précipités α. En revanche, la fraction initiale de phase α n’a pas d’impact sur la cinétique de transformation mais seulement sur la température de début de transformation. L’analyse combinée des paramètres de maille moyens et des largeurs à mi-hauteurs des pics de diffraction laisse supposer que la transformation est pilotée par la diffusion chimique et que les faibles diffusivités des éléments solutés et la diminution de la quantité d’interfaces α/β conduisent à des hétérogénéités chimiques dans la phase β dont l’amplitude varie avec la vitesse de chauffage. Enfin, des simulations thermocinétiques de la dissolution de la phase α au chauffage sont discutées au regard des résultats expérimentaux.
Par l’étude de couples de diffusion sous chargement thermique entre des pastilles de Ti-64 et Ti 5553 d’une part et des outils WC-Co d’autre part, nous avons montré la formation systématique d’une couche de TiC et la dissolution partielle des carbures WC de l’outil. Une longueur de diffusion du W significativement plus grande dans l’alliage Ti-64 a été mesurée. Par ailleurs, pour l’alliage Ti 5553, la précipitation d’aiguilles TiC jusqu’à plusieurs centaines de micromètres dans la matrice β a été mise en évidence. Les mécanismes de diffusion et de transformations de phases résultantes sont discutés.
|
This PhD thesis is part of collaborative project, the objective of which was to understand and quantify the impact of microstructural features of the β-metastable titanium alloy Ti-5553 on its machinability and tool wear. Thus, a set of so-called "model" microstructures were developed to study the influence of the initial microstructure and heating rate on the mechanisms and kinetics of α phase dissolution during rapid continuous heating to account for local tool tip heating. In addition, chemical diffusion between titanium alloys and WC-Co type tools was studied to further understand mechanisms of wear assisted by chemical diffusion.
Seven thermal paths were defined to obtain model microstructures with different fractions, morphologies, sizes, and spatial distributions of alpha phase. The corresponding materials were produced, and their microstructural features were determined. Results from orthogonal cutting tests conducted by the partner laboratory LAMPA (Angers) were used to link microstructural specifics, microhardness, and machining forces generated during cutting. Influential parameters were determined.
Phases transformations during rapid continuous heating at rates of up to 100 °C·s 1 were investigated primarily using in situ measurements obtained through high-energy synchrotron X-ray diffraction. As expected, the α+β→β transformation kinetics for the Ti 5553 alloy are slower compared to those reported in the literature for the Ti 64 alloy. The results also showed that the transformation kinetics depend not only on the heating rate but also on the morphology and size of the α precipitates. However, the initial fraction of α phase has no impact on the transformation kinetics but only on the starting temperature of transformation. The combined analysis of average lattice parameters and diffraction peaks full widths at half maximum suggests that the transformation is controlled by chemical diffusion, and the low diffusivities of solute elements and the reduction of the α/β interface quantity leads to chemical heterogeneities in the β phase, the amplitude of which varies with the heating rate. Finally, thermokinetic simulations of alpha phase dissolution during heating are discussed in relation to experimental results.
Through the study of diffusion couples under thermal loading between Ti-64 and Ti 5553 specimens on one hand and WC-Co tools on the other hand, we have demonstrated the systematic formation of a TiC layer and partial dissolution of WC carbides in the tool. A significantly greater diffusion length of W in the Ti-64 alloy was measured. Furthermore, for the Ti 5553 alloy, the precipitation of TiC needles up to several hundred micrometers in the β matrix was observed. The diffusion mechanisms and resulting phases transformations are discussed.
|