Contribution à l’étude de l’oxydation à haute température sous air d’alliages de titane : mécanismes et facteurs bénéfiques à la tenue au-delà de 600°C - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2024

Contribution to the study of high-temperature oxidation of titanium alloys : mechanisms and resistance enhancing factors above 600°C

Contribution à l’étude de l’oxydation à haute température sous air d’alliages de titane : mécanismes et facteurs bénéfiques à la tenue au-delà de 600°C

Victor Pacorel
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1489421
  • IdRef : 282562109

Résumé

The work undertaken in this PhD thesis is part of a technological and environmental dynamic in the aeronautics and aerospace sectors, aimed at extending the operating temperature of titanium alloys in turbojets engines beyond 600°C, the current limit. To this end, the aim of this study is to investigate the oxidation mechanism of titanium alloys in air at high temperature (above 600°C) with a particular focus on factors beneficial to oxidation resistance such as the presence of nitrogen in the oxidation atmosphere, the presence of silicon in the alloy or the effect of laser shock peening (LSP) treatment prior to oxidation.To carry out this study, different materials were used: commercially pure titanium (CP-Ti) as a reference material, TiXT alloy containing 0.45%w silicon and already used in the automotive industry, and samples of these two previous materials subjected to LSP treatment using a protocol that had already proven its effectiveness in improving oxidation resistance.The materials were oxidized in air at 650°C and 700°C for short periods (from 15 minutes to 100 hours), in order to study the first stages of oxidation, and over long periods (up to 6000 hours), more representative of the actual service life of these the materials in turbojets engines. Afterward, various analysis techniques were implemented to characterize the material in terms of oxidation kinetics (TGA) and nitrogen accumulation (nuclear microprobe, GDOES), oxide and metal/oxide interface microstructure (SEM, TEM), crystallographic phase evolution (XRD with synchrotron radiation) and oxygen insertion mechanism (isotopic labelling).These various characterizations have contributed to improve our current understanding of the oxidation mechanism of titanium alloys at high temperature, mainly concerning the behavior of atmospheric nitrogen and the influence of the presence of surface nano-crystallization or silicon in the alloy on this behavior. These results include for example: the parabolic kinetics of nitrogen accumulation with the oxidation time or the acceleration of nitrogen accumulation and formation of Ti2N0.84 nitrides caused by the presence of silicon in the alloy.The work carried out has therefore led to a better understanding of the oxidation mechanism of titanium alloys at high temperature and opens up new prospects for the development of alloys or mechanical surface treatments associated with better resistance to high temperature oxidation.
Le travail développé dans cette thèse s’inscrit dans une dynamique technologique et environnementale dans les secteurs de l’aéronautique et de l’aérospatial, visant à étendre la température d’utilisation des alliages de titane dans les turboréacteurs au-delà de 600°C, la limite actuelle. Dans cette optique, l’objectif de cette étude est d’investiguer le mécanisme d’oxydation des alliages de titane sous air à haute température (au-delà de 600°C) avec un intérêt particulier pour les facteurs bénéfiques à la tenue à l’oxydation tels que la présence d’azote dans l’atmosphère d’oxydation, la présence de silicium dans l’alliage ou encore l’effet d’un traitement par choc laser préalablement à l’oxydation.Pour réaliser cette étude, différents matériaux ont été utilisés : le titane commercialement pur (Ti-CP) comme matériau de référence, l’alliage TiXT contenant 0,45 %m de silicium et déjà utilisé dans l’industrie automobile, ainsi que des échantillons de ces deux précédents matériaux ayant subi un traitement par choc laser selon un protocole ayant déjà prouvé son efficacité pour l’amélioration de la tenue à l’oxydation.Les matériaux ont été oxydés sous air à 650°C et 700°C sur de courtes durées (de 15 min à 100 h), afin d’étudier les premiers instants de l’oxydation, et sur de longues durées (jusqu’à 6000 h), afin de confronter les matériaux aux durées réelles d’utilisation dans les turboréacteurs. Par la suite, différentes techniques d’analyses ont été mises en œuvre pour caractériser le matériau au niveau de la cinétique d’oxydation (ATG) et d’accumulation de l’azote (microsonde nucléaire, SDL), de la microstructure de l’oxyde et de l’interface métal/oxyde (MEB, MET), de l’évolution des phases cristallographiques (DRX in-situ avec rayonnement synchrotron) et du mécanisme d’insertion de l’oxygène (marquage isotopique).Ces différentes caractérisations ont permis de compléter les connaissances actuelles sur le mécanisme d’oxydation des alliages de titane à haute température, principalement concernant le comportement de l’azote de l’atmosphère et l’influence de la présence d’une nanocristallisation de surface ou de silicium dans l’alliage sur ce comportement. Parmi les principaux résultats, on peut citer la cinétique parabolique d’accumulation de l’azote avec la durée d’oxydation ou l’accélération de l’accumulation de l’azote et de formation des nitrures de type Ti2N0,84 provoquées par la présence de silicium dans l’alliage.Le travail réalisé a donc permis d’aboutir à une meilleur compréhension du mécanisme d’oxydation des alliages de titane à haute température et ouvre de nouvelles perspectives dans le développement d’alliages ou de traitements de surface mécaniques associés à une meilleure tenue à l’oxydation haute température.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04885284 , version 1 (14-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04885284 , version 1

Citer

Victor Pacorel. Contribution à l’étude de l’oxydation à haute température sous air d’alliages de titane : mécanismes et facteurs bénéfiques à la tenue au-delà de 600°C. Matériaux. Université Bourgogne Franche-Comté, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UBFCK049⟩. ⟨tel-04885284⟩
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