Renforcement des alliages de titane par la formation de structures martensitiques
En termes de microstructure, le titane subit une transformation allotropique par laquelle le réseau cristallin passe de l’hexagonal compact (EC) à température ambiante au cubique centré (CCC) à des températures élevées. Pour le titane pur, la structure EC, ou phase α, est stable jusqu’à 882°C, température à laquelle elle est conventionnellement appelée β-transus. À une température plus élevée, la structure devient CCC, phase β, qui se maintient jusqu’à 1670°C, ce qui correspond au point de fusion du titane pur.
Dans les alliages de titane, la température β-transus dépend fortement de la composition chimique du matériau spécifique : les éléments d’alliage se subdivisent en stabilisateurs α, tels que Al, N et O, qui augmentent le β-transus, et en stabilisateurs β, tels que Mo, V, Cr et Fe, qui diminuent le β-transus, et en neutres, Sn et Zr, qui ne modifient pas le β-transus de manière significative.
Plus généralement, pour tout alliage de titane, le β-transus est défini comme la température au-dessus de laquelle la microstructure est entièrement constituée de la phase α’ l.
Dans le titane, la transition de phase, illustrée schématiquement dans la figure 1, ne se produit pendant le refroidissement à haute température que si la vitesse de refroidissement est suffisamment faible pour permettre le transport des atomes par diffusion atomique, conduisant ainsi à la transformation du réseau CCC de la phase β en réseau EC de la phase α.
À des vitesses de refroidissement très élevées, par exemple avec de l’eau, le transport d’atomes par diffusion est totalement empêché ; toutefois, une transition de phase se produit via un mécanisme de type martensitique, qui consiste en un mouvement coordonné de quelques atomes, donnant lieu à une structure avec un réseau cristallin EC appelé martensite α’ (ou “alpha prime”).
Figure 1 – Illustration schématique des mécanismes de transformation se produisant dans le titane commercialement pur pendant le refroidissement à haute température.
Comme dans le cas de la trempe de l’acier, la formation de la martensite α’ dans le titane et ses alliages est caractérisée par l’existence d’une relation d’orientation cristallographique très précise entre la phase de départ et la phase finale, par la présence d’un plan cristallographique invariant, par une augmentation de volume avec les déformations conséquentes, par la présence d’une température de début (Ms) et de fin (Mf) de la transformation martensitique, qui sont plus basses que pour le β-transus (pour le titane pur, la température Ms est d’environ 802°C) et par le fait que la martensite α’ a la même composition chimique que la phase β initiale.
En termes de morphologie, même pour le titane, la martensite α’ se présente sous deux variantes, qui peuvent souvent coexister dans le même composant, appelées respectivement “lattes” (ou “tiges”) et “plaques” (ou “plaques”), qui apparaissent au microscope optique comme le montre la figure 2.
Figure 2 – Images au microscope optique d’une martensite α’hexagonale avec une morphologie de type lath. (a) et “plaque”. (b) dans l’alliage Ti-6Al-4V après mise en solution à 1020°C (grossissement 500X – attaque métallographique avec Kroll’s).
Dans certains alliages de titane, la présence d’une structure martensitique supplémentaire appelée α” (ou “alpha double prime”) avec une microstructure orthorhombique a également été constatée.
En règle générale, la transition de la martensite α’ à α” est déterminée par la teneur en éléments stabilisateurs β dans l’alliage, dont l’augmentation favorise la formation de α” au lieu de α’. Comme le montre la figure 3, si la teneur en éléments β-stabilisants est particulièrement élevée, les transformations martensitiques sont complètement supprimées et, après un refroidissement rapide, la phase β reste à température ambiante dans un état métastable ; on parle dans ce cas de rétention bêta.
Figure 3 – Diagramme illustrant les différentes structures pouvant être obtenues dans les alliages de titane à la suite d’un rapide refroidissement du champ β.
D’un point de vue industriel, la formation de microstructures martensitiques est exploitée dans les alliages de titane du groupe α + β, c’est-à-dire les alliages dont la composition chimique est telle que les phases α et β peuvent coexister à température ambiante pour augmenter significativement la dureté et les propriétés mécaniques.
Cette catégorie comprend l’alliage bien connu Ti-6Al-4V, qui représente à lui seul environ 50 % de la production mondiale de titane, Ti-6Al-6V-2Sn et Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo. Comme dans le cas de la trempe de l’acier, une séquence de deux traitements thermiques appelés trempe en solution, ou ST pour “Solution Treating”, et vieillissement, ou A pour “Aging”, est effectuée.
En ce qui concerne la mise en solution, qui s’effectue généralement par trempe dans l’eau, le choix de la bonne température est d’une importance capitale. Comme le montrent les figures 4 et 5, qui se réfèrent au cas spécifique de l’alliage Ti-6Al-4V, en trempant à partir de températures plus élevées que le β-transus (environ 1 000°C dans ce cas), la structure est complètement martensitique (α’) ; cette condition permet d’obtenir une dureté maximale après un vieillissement ultérieur au détriment, toutefois, de faibles valeurs de ductilité et de ténacité, qui résultent également de l’élargissement excessif des grains de la phase β de départ. Pour ces raisons, la mise en solution est donc effectuée à des températures inférieures au β-transus, dans le cas particulier de l’alliage Ti-6Al-4V entre 900 et 970°C ; il en résulte, en fin de refroidissement, l’obtention d’une matrice de martensite hexagonale α’ contenant des grains réguliers de phase alpha dite primaire, ou αp, dont la quantité diminue au fur et à mesure que la température de trempe augmente, jusqu’à idéalement être éliminée lorsque la température de traitement est égale au β-transus de l’alliage. Cette condition représente l’objectif à rechercher avec la trempe en solution, car elle permet d’obtenir le meilleur compromis possible entre la dureté, la ductilité et la ténacité à la fin du vieillissement.
En revanche, si la température de solubilisation était trop basse, la phase bêta serait tellement enrichie en éléments stabilisateurs β que la transformation martensitique lors du refroidissement ne serait pas possible ; dans ce cas, la microstructure serait constituée de phases α et β conservées, et le vieillissement ultérieur produirait inévitablement une augmentation très modeste de la dureté, qui ne serait d’aucune utilité pratique.
Figure 4 – Diagramme d’état pseudobinaire du système Ti-V montrant les températures de solubilisation pour l’alliage Ti-6Al-4V et les microstructures réalisables.
Figure 5 – Influence de la température de trempe sur la microstructure de l’alliage Ti-6Al-4V.
- (a) 1020°C : la structure est complètement martensitique ;
- (b) 960°C : grains équiaxiaux d’alpha primaire dans une matrice martensitique ;
- (c) 850°C : grains de phase alpha avec une petite quantité de phase bêta conservée
(Grossissement 1 000X – Attaque métallographique avec Kroll’s).
Le vieillissement, qui pour l’alliage Ti-6Al-4V est généralement effectué entre 480 et 650°C pour des durées de 4 à 8 h, est la dernière étape du cycle et permet une nouvelle augmentation des propriétés mécaniques, due au fait que la martensite se décompose en un mélange très fin de phases α et β avec des dimensions submicroscopiques qui ne peuvent être résolues au microscope optique même à des grossissements élevés (Figure 6).
Figure 6 – Image au microscope optique d’une pièce en alliage Ti-6AI-4V aprèssolubilisation à 920°C et vieillissement à 550°C pendant 6h. La microstructure est constituée de grains de phase alphaprimaire dans une matrice de martensite vieillie (Grossissement 1 000X – Attaque métallographique avec HF 0,5%).
Comme le montre la figure 7, le vieillissement produit également le même effet dans des alliages tels que Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo où, en raison de la teneur plus élevée en éléments stabilisateurs β, la formation de martensite α” orthorhombique se produit à la suite d’un durcissement par mise en solution.
Figure 7 – Images au microscope optique d’une pièce en alliage Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo. (a) Après solubilisation à 850°C : microstructure constituée d’îlots d’α primaire de forme arrondie et allongée dans une matrice de martensite α” orthorhombique ; (b) comme le précédent après un vieillissement ultérieur à 695°C pendant 4h : la matrice martensitique s’est transformée en un mélange de α et β (martensite vieillie) avec des dimensions sub-microscopiques. (grossissement 1 000X – attaque métallographique avec Kroll’s).
Il convient de souligner que, contrairement à l’acier, où le durcissement est principalement dû à la présence d’atomes de carbone qui restent piégés dans le réseau de martensite, dans les alliages de titane, les éléments interstitiels ne sont jamais présents dans une concentration telle qu’ils induisent un effet similaire. L’augmentation des propriétés mécaniques dépend donc uniquement de la très petite taille des constituants microstructuraux et, bien qu’elle soit importante et répandue dans l’industrie, elle est donc plus limitée que celle obtenue lors de la trempe de l’acier. Toutefois, la combinaison de propriétés mécaniques élevées, comme le montrent les tableaux 1 et 2 pour l’alliage Ti-6Al- 4V et Ti-6Al-2Sn- 4Zr-6Mo, d’une faible densité (environ 4,5 vs. 7,5 g/ cm3 de l’acier) et une excellente résistance à la corrosion, a rendu l’utilisation des alliages de titane durcis par mise en solution et par vieillissement très répandue dans une variété d’applications aérospatiales, énergétiques et biomédicales.
