Alliages de titane alpha-bêta : traitement thermique et propriétés

Les alliages de titane alpha-bêta contiennent ces deux phases à température ambiante et allient la formabilité de la phase bêta à la stabilité et à la résistance de la phase alpha. Leurs propriétés finales dépendent fortement de la température de mise en solution, de l'historique de déformation, de la vitesse de refroidissement et du vieillissement. Le Ti-6Al-4V en est l'exemple le plus connu.

Recuit bêta et structures lamellaires

Un chauffage au-delà du transus bêta élimine l'alpha primaire. Lors du refroidissement, l'alpha se forme aux joints de grains de la structure bêta antérieure et se développe vers l'intérieur sous forme de colonies de plaques parallèles. Un refroidissement lent produit des plaques alpha grossières ; un refroidissement plus rapide affine les plaques et peut entraîner la formation de martensite alpha-prime. Les structures lamellaires plus grossières améliorent généralement la ténacité à la rupture et la résistance au fluage, tandis que les structures plus fines augmentent la résistance mécanique et la résistance à la fatigue, mais peuvent réduire la ductilité.

Vitesse de refroidissement et transformation de phase

La vitesse de refroidissement détermine si le bêta se décompose par diffusion en alpha et en bêta résiduel ou s’il se transforme en produits martensitiques. Elle influe également sur la taille des colonies et l’épaisseur des lamelles d’alpha. L’équilibre résistance-ductilité qui en résulte doit donc être choisi en fonction de la section transversale et de la capacité de trempe.

Recuit alpha-bêta et structures bimodales

Le recuit dans le champ alpha-bêta permet de conserver une fraction contrôlée d'alpha primaire équiaxe. Le bêta restant se transforme au cours du refroidissement, produisant de l'alpha lamellaire secondaire au sein d'une matrice de bêta. Cette structure bimodale allie la résistance à la fatigue et la ductilité de l'alpha équiaxe à la ténacité à la rupture et aux performances de fluage du bêta transformé.

Un recuit en deux étapes permet d'abord d'établir la fraction alpha primaire et la morphologie, puis de stabiliser la phase bêta transformée. Le traitement en solution et le vieillissement renforcent l'alliage grâce à une précipitation contrôlée, mais une température excessive, un temps de maintien trop long ou un refroidissement trop lent peuvent entraîner un grossissement de la structure. La conception du procédé doit donc préciser la température par rapport au transus bêta, le profil de refroidissement et la réponse au vieillissement, plutôt que de se fier uniquement à une étiquette de traitement thermique.

Compromis entre propriétés

• Les structures équiaxes favorisent la ductilité et la résistance à la fatigue à haut nombre de cycles.
• Les structures lamellaires favorisent la résistance à la propagation des fissures, la ténacité à la rupture et le fluage.
• Les structures bimodales offrent un bon compromis pour de nombreuses pièces aérospatiales.
• Les produits à structure fine améliorent la résistance, mais peuvent réduire l'allongement à la traction.
• La granulométrie du phase bêta antérieure, la fraction alpha primaire et l'espacement des lamelles alpha constituent des variables de contrôle essentielles.