DS0303 - Produits (conception, procédés et matériaux)

Microstructures Harmoniques à Hautes Résistances Mécaniques base Titane. Elaboration et Propriétés – HighS-Ti

Microstructure harmonique base titane à haure résistance mécanique:

Méthodologie d'élaboration, microstructure et Propriétés mécaniques améliorés

Proposer un nouveau concept combinant déformation plastique sévère et procédés de frittage pour concevoir et développer des microstructures innovantes de hautes performances mécaniques.

Dans le cadre de la présente proposition, grâce à la versatilité de technologies basée sur la métallurgie des poudres comme par exemple le frittage flash (SPS) et le pressage isostatique à chaud (HIP), un nouveau concept combinant déformation plastique sévère (par broyage contrôlé et superficiel des particules de poudres micrométriques) et procédés de frittage (SPS et HIP) sera utilisé pour concevoir et développer des microstructures dite harmoniques. La structure harmonique obtenue après frittage/consolidation de la poudre déformée sera constituée d’un réseau 3D continu, le squelette, à grains ultrafins entourant un cœur constitué de gros grains. Cela les rend uniques par rapport aux microstructures bimodales hétérogènes «nano-micro« habituellement produites par diverses voies métallurgiques. Les matériaux envisagés ici sont le titane pur (Ti), Ti-6-4 (Ti6Al4V) et un ß-Ti (Ti15V3Cr3Sn3Al) en raison de leur importance technologique. Après élaboration, une combinaison de techniques avancées de caractérisation à la fois macroscopique (essais quasi-statiques et d’impact) et « méso/micro » (traction in situ sous DRX, traction in situ sous MET) sera menée pour étudier finement les mécanismes élémentaires de déformation et fournir les paramètres d'entrée nécessaires pour les modèles prédictifs de ces structures harmoniques complexes. En effet, les simulations numériques et la modélisation mécanique seront mises en œuvre. Les connaissances qui résulteront de ce projet seront de nature à participer aux initiatives récentes prises au niveau national pour un renouvellement de la métallurgie, tant du point de vue de la recherche fondamentale, du transfert de technologie que de celui de la formation des jeunes scientifiques de tous niveaux.

Les poudres de départ sont obtenues par le procédé PREP (plasma rotating electrode process) et fabriquées à la demande par la société Fuduka, Japon. Elles sont utilisées soit pour le procédé MM+SPS (structures harmoniques), soit pour le procédé JM+SPS (structure plutôt bimodale).

Le mode d’élaboration est complètement maîtrisé et reproductible sur tous les matériaux du programme HighS-Ti et même au-delà car de nouveaux alliages ont été introduits. Nous n’avons pour l’instant retenu que le SPS comme méthode de consolidation. Le procédé est optimisé pour l’élaboration des disques jusqu’à D30H5 (D = diamètre, H = hauteur).
Les microstructures élaborées ont été caractérisées sous différentes conditions de sollicitations, depuis les essais quasi-statiques (traction, cisaillement simple), traction in-situ au synchrotron ou in-situ sous TEM, ainsi que leur mise en forme par laminage à froid. Les analyses des mécanismes sous-jacents sont en cours.
Les essais mécaniques quasi-statiques réalisés sur les matériaux du programme HighS-Ti indiquent une nette amélioration des performances mécaniques, en particulier de la contrainte d’écoulement, sans perte de ductilité. Les micro-mécanismes à l’origine de ce comportement font l’objet du prochain livrable de la tâche 3 (Deformation and damage mechanisms) prévu à T0+24. En outre des études sont en cours pour évaluer le comportement en cisaillement cyclique, mais aussi le comportement en fatigue.

Cependant, il reste un verrou technologique à faire sauter, qui permette l’élaboration des disques de grandes dimensions. Dans les mois qui viennent nous allons aborder l’élaboration de disques D50H30.

1. Dirras, G., Ota, M., Tingaud, D., Ameyama, K., & Sekiguchi, T. (2015). Microstructure evolution during direct impact loading of commercial purity a -titanium with harmonic structure design. Matériaux & Techniques, 103(3), 311. doi:10.1051/mattech/2015031
1. High Strength Titanium Alloys With Harmonic Structure For Enhanced Properties: Microstructure And Mechanical Properties. G. Dirras et al. Soft/Hard Materials 2016, 21-24 Jan. 2016, Kusatsu, Japan. Invited talk.
2. In situ X-ray diffraction study of mechanical behavior of harmonic structure design Ti-6Al-4V alloy” P.O. Renault et al. The Ninth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9) Ed. by T. Furuhara, M. Nishida and S. Miura. The Japan Institute of Metals and Materials, 2016
3. Influence of thermo-mechanical treatments on the mechanical behavior under tensile and shear loadings of Ti-15-3-3-3 alloy processed by powder metallurgy route. S. Yokoyama et al. The Ninth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9) Ed. by T. Furuhara, M. Nishida and S. Miura. The Japan Institute of Metals and Materials, 2016
4. Microstructure evolution and Mechanical behavior under shear loadings of Ti-25Nb-25Zr alloy. D. Ueda et al. The Ninth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9) Ed. by T. Furuhara, M. Nishida and S. Miura. The Japan Institute of Metals and Materials, 2016
5. Oral presentation: P.O. Renault, “Mechanical behaviour of harmonic design structure Ti-6Al-4V” international Workshop “metallurgy with synchrotron” Nancy, mars 2016
6. Poster presentation: T. Sadat, international Workshop “metallurgy with synchrotron” Nancy, mars 2016

La plupart des matériaux de structure sont des alliages métalliques, souvent multi-élémentaires. Ceci est le cas pour certains aciers ou les alliages de titane dont les éléments d'alliage sont rares et/ou disponibles en faibles concentrations dans la croûte terrestre et parfois difficiles à affiner. En effet, le nombre d'éléments utilisables déjà très faible est encore restreint par les risques de toxicité.

Il semble donc urgent de développer de nouvelles méthodologies qui permettront d'utiliser plus efficacement les éléments disponibles afin de concevoir et réaliser de nouveaux matériaux de structure à partir de l’existant, pour éviter que le progrès ne devienne un fardeau pour la nature et l’environnement. Une telle démarche n’est valable que si les matériaux ainsi conçus possèdent des caractéristiques mécaniques supérieures et des performances fiables.

Dans le cadre de la présente proposition, grâce à la versatilité de technologies basée sur la métallurgie des poudres comme par exemple le frittage flash (SPS) et le pressage isostatique à chaud (HIP), un nouveau concept combinant déformation plastique sévère (par broyage contrôlé et superficiel des particules de poudres micrométriques) et procédés de frittage (SPS et HIP) sera utilisé pour concevoir et développer des microstructures dite harmoniques.

La structure harmonique obtenue après frittage/consolidation de la poudre déformée sera constituée d’un réseau 3D continu, le squelette, à grains ultrafins entourant un cœur constitué de gros grains. Cela les rend uniques par rapport aux microstructures bimodales hétérogènes "nano-micro" habituellement produites par diverses voies métallurgiques.

Les matériaux envisagés ici sont le titane pur (Ti), Ti-6-4 (Ti6Al4V) et un ß-Ti (Ti15V3Cr3Sn3Al) en raison de leur importance technologique. Après élaboration, une combinaison de techniques avancées de caractérisation à la fois macroscopique (essais quasi-statiques et d’impact) et « méso/micro » (traction in situ sous DRX, traction in situ sous MET) sera menée pour étudier finement les mécanismes élémentaires de déformation et fournir les paramètres d'entrée nécessaires pour les modèles prédictifs de ces structures harmoniques complexes. En effet, les simulations numériques et la modélisation mécanique seront mises en ouvre. En l’occurrence, elles simuleront l’endommagement qui pourrait résulter des incompatibilités de déformation entre le squelette à grains ultrafins et le cœur. Les modèles aideront à comprendre les paramètres critiques et à optimiser les conditions d'élaboration des microstructures.

En plus de la compréhension et de la prédiction du comportement mécanique macroscopique, nous comptons répondre aux questions suivantes (liste non exhaustive):
• Les matériaux à microstructures harmoniques possèdent-ils de meilleures propriétés mécaniques comparées aux mêmes matériaux ayant des microstructures plus classiques et/ou bimodales ?
• Les microstructures harmoniques de Ti pur possèdent-elles des propriétés meilleures que celles du Ti allié (Ti-6-4 ou ß-Ti) conventionnel?
• les propriétés de haute résistance et de haute ductilité permettront-elles de réaliser des pièces de structure légères et compactes avec une fiabilité meilleure ?

Si la réponse est oui, alors nous pourrons préserver non seulement les éléments d’addition rares mais aussi diminuer les coûts associés aux traitements thermomécaniques et à l'usinage. Cela contribuera à un certain niveau à:
• économiser les ressources et l'énergie
• réduire les émissions de CO2
• améliorer la recyclabilité
• Découvrir de nouvelles applications et fournir à la société le fruit des travaux de recherche.

Les connaissances qui résulteront de ce projet seront de nature à participer aux initiatives récentes prises au niveau national pour un renouvellement de la métallurgie, tant du point de vue de la recherche fondamentale, du transfert de technologie que de celui de la formation des jeunes scientifiques de tous niveaux.

Coordination du projet

Guy Dirras (Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LSPM Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux
Pprime Institut Pprime
CEMES Centre d'Elaboration de Microstructures et d'Etude Structural
IJL CNRS DR CENTRE- EST
RITS Ritsumeikan University
LSPM (CNRS DR PV) Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux

Aide de l'ANR 469 299 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

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