La faible résistance à l'usure du titane et de ses alliages limite leur application dans laquelle l'effet combiné de l'usure et de la corrosion peut être rencontré. À cet égard, l'ajout de phases céramiques sous forme de whiskers (TiB) ou de particules (TiB2 et TiC) dans une matrice à base de titane pour former des composites avancés à matrice titane (TMC) peut contribuer à réduire les pertes de matériau et à prolonger la durée de vie. Des poudres commerciales de titane pur (CP-Ti) avec une composition chimique et une taille de particules variables (25,9 et 35,9 µm) ont été densifiées par Spark Plasma Sintered (SPS) sous vide à différentes températures et pressions, respectivement dans la plage de 550 à 900 ° C et de 25 à 75 MPa. L'objectif était d'étudier l'effet des paramètres de frittage sur la densification, la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux CP-Ti. Une densification complète (RD> 99%) avec des valeurs de dureté Vickers élevées de 340HV et 262HV ont été obtenues respectivement à 25 MPa à 800 et 900 °C pour les deux poudres commerciales. La transformation de la microstructure pour le CP-Ti (25,9 µm) avec une grande quantité d'oxygène (7315 ppm) a été retardée et initiée à des températures plus élevées. En ce qui concerne le CP-Ti (35,9 µm) avec une grande quantité d’hydrogène (2226 ppm), la transformation a été favorisée à très basse température et à une pression accrue.
En raison de sa teneur moindre en hydrogène (546 ppm) dans le CP-Ti (25,9 µm), cette poudre a été choisie pour être frittée de manière réactive avec des particules de B4C afin de synthétiser de manière économique les phases de renforcement TiB2/TiB et TiC afin d'améliorer les propriétés de corrosion et de tribocorrosion. Trois poudres de B4C de différentes tailles (1,67, 1,79 et 17,9 µm) ont été utilisées. Les TMC préparés à partir de B4C (1,67 µm) indiquaient le potentiel de synthèse économique des phases de renforcement souhaitées à des températures beaucoup plus basses, soit 800 ° C. L'analyse SEM/FIB sur le matériau élaboré à 800 ° C et 25 MPa a montré une phase grise continue constituée d'agrégats de particules de B4C partiellement réagies, ségrégées aux joints de grains de la matrice de Ti. Différents composés, B4C, TiB2, TiB, Ti3B4, TiC et Ti2C, ont été détectés à 800 °C, indiquant que la réaction était déjà amorcée à des températures inférieures à 800 ° C dans le SPS. À 1100 °C et 25 MPa, les particules de B4C ont complètement réagi et se sont transformées en amas de divers composés. L'homogénéisation de la microstructure a été réalisée à des temps de maintien de 0 à 30 minutes pour éliminer les amas formés. Aucun changement microstructural significatif n'a été observé à 800 °C. Seulement à des températures supérieures de 1000 et 1100 ° C, les clusters initiaux se transforment avec un temps de séjour croissant en incluions de TiB et TiC plus grossières.
Le comportement à la corrosion et à la tribocorrosion de CP-Ti et des TMCs a été étudié dans du NaCl à 3,5%. Les résultats ont montré qu'une quantité croissante de phases de renforcement jusqu'à 5% en poids réduisait la susceptibilité à la corrosion et à la tribocorrosion des TMC frittés à 1100 °C, car les valeurs de l'OCP étaient positivement décalées pour Ti5% en poids de B4C. Les valeurs de densité de courant de corrosion (Icorr), dans des conditions de glissement, étaient significativement plus basses pour les TMC (0,05x10-6 A/cm2) que pour le CP-Ti (7,07 x10-6 A/cm2) à un temps de séjour de 15 minutes. Des dommages graves à la surface avec des rainures profondes ont été observés dans les traces du CP-Ti indiquant une usure adhésive. Aucune extraction des phases de renforcement TiB et TiC n'a été observée pour Ti5% en poids de B4C, en raison de la forte force de liaison interfaciale avec la matrice de Ti. |
The poor wear resistance of titanium and its alloys limit their application in which the combined effect of wear and corrosion may be encountered. In this regard, addition of ceramic phases in the form of whiskers (TiB) or particles (TiB2 and TiC) in titanium based matrix to form advanced titanium matrix composites (TMCs), can aid reduce material loss and prolong the service life. Commercial pure titanium (CP-Ti) powders with varying chemistry and particles size (25.9 and 35.9µm) were Spark Plasma Sintered (SPS) at varying temperature and pressure in the range of 550-900°C and 25-75MPa in vacuum, respectively. The aim was to investigate the effect of the sintering parameters on the densification, microstructure and mechanical properties of CP-Ti materials. Full densification (RD>99%) with high Vickers hardness values of 340HV and 262HV was obtained at 25MPa at 800°C and 900°C respectively for the two commercial powders. The microstructure transformation for CP-Ti (25.9µm) with high amount of oxygen (7315ppm) was delayed and started at higher temperatures. As for CP-Ti (35.9µm) with high amount of hydrogen (2226ppm) the transformation was promoted at very low temperature and increased pressure.
Due to lower hydrogen content (546ppm) in CP-Ti (25.9µm), this powder was chosen to be reactively sintered with B4C particles to economically synthesize TiB2/TiB and TiC reinforcing phases to improve the corrosion and tribocorrosion properties. Three B4C powders of varying particles size (1.67, 1.79 and 17.9µm) were used. The TMCs prepared from B4C (1.67µm) indicated the potential of economically synthesizing the desired reinforcing phases at much lower temperatures of 800°C. The SEM/FIB analysis on the material elaborated at 800°C and 25MPa showed a continuous grey phase, constituted of clusters of partially reacted B4C particles segregated at Ti matrix grain boundaries. Various compounds, B4C, TiB2, TiB, Ti3B4, TiC and Ti2C, were detected at 800°C, indicating that the reaction had already initiated at temperatures below 800°C in the SPS. At 1100°C and 25MPa the B4C particles completely reacted and transformed into clusters of various compounds. Microstructure homogenization was done at dwell times of 0-30min to remove the formed clusters. No significant microstructural change was observed at 800°C. Only at higher temperatures of 1000 and 1100°C the clusters homogenized to coarser TiB and TiC phases with increasing dwell time.
Corrosion and tribocorrosion behaviour of CP-Ti and TMCs was investigated in 3.5%NaCl. The results showed that increasing amount of the reinforcing phases to 5wt% reduced the corrosion and tribocorrosion susceptibility of the TMCs sintered at 1100°C, as the OCP values were positively shifted for Ti5wt%B4C. The corrosion current density values (Icorr) were significantly lower for the TMCs (0.05x10-6A/cm2) than for CP-Ti (7.07 x10-6A/cm2) at 15min dwell time under sliding conditions. Severe surface damage with deep grooves in CP-Ti was observed in worn tracks indicating adhesive wear. No pulling out of TiB and TiC reinforcing phases was observed for Ti5wt%B4C, due to the strong interfacial bond strength with the Ti matrix. |