21 ème Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013 1 Oxidation effect on the mechanical behavior of thin samples of titanium alloy at 600°C J. BAILLIEUX a , D. POQUILLON a , J. HUEZ a a. CIRIMAT – CNRS/UPS/INPT, 4 allée Emile Monso - BP 44362 - 31030 TOULOUSE cedex 04, France Résumé : Les alliages de titane offrent une réelle opportunité d’évolution technologique pour l’industrie aéronautique et spatiale. Leurs propriétés mécaniques élevées, d’un niveau comparable aux aciers, couplées à une plus faible densité conditionnent le choix du titane pour alléger les structures. Son excellente tenue à la corrosion permet aussi une large utilisation dans l’industrie chimique notamment. La littérature montre différentes études sur le comportement mécanique des alliages de titane en fonction de leurs états de surface, leurs traitements thermomécaniques et l’environnement d’usage. La forte réactivité du titane avec l’oxygène lors de sollicitation à haute température conduit non seulement à la formation d’une couche d’oxyde mais aussi à un enrichissement en oxygène du métal sous-jacent. Les effets de cette modification de composition chimique sont importants sur la microstructure (-case). Dans cette étude, en partant d’éprouvettes d’épaisseur différente en titane commercialement pur, nous nous focaliserons sur le comportement mécanique en traction et en fluage entre 450 à 600°C. L’originalité de l’étude est de réaliser des essais mécaniques à haute température sur des éprouvettes suffisamment minces pour ne plus être considérées comme homogènes (substrat + -case + oxyde de titane). Ces essais sont corrélés aux analyses microstructurales dans le but d’interpréter l’influence de l’enrichissement en oxygène sur le comportement mécanique de l’alliage. Abstract: Titanium alloys offer a real opportunity for technological improvement for the aerospace industry. Their high mechanical properties, a level comparable to steel, coupled with a lower density condition the choice of titanium to lighten structures. Excellent corrosion resistance also allows a wide use in chemical plants. The literature shows several studies about the mechanical behavior of titanium alloys according to their surface, their thermo-mechanical treatments and their environment of use. The high reactivity of titanium with oxygen at high temperature not only leads to the formation of an oxide layer but also oxygen enrichment of the underlying metal. The effects of this change in chemical composition are important for the microstructure (-case). In this study, starting from samples of different thickness of commercially pure titanium, we focus on the mechanical behavior in tension and creep between 450 to 600 ° C. The originality of this study is to perform mechanical tests at high temperature on specimens thin enough to not be considered as homogeneous (substrate + -case + titanium oxide). These tests are correlated with microstructural analyzes carried out in order to interpret the influence of oxygen enrichment on the mechanical behavior of the alloy .Keywords: CP titanium, Oxidation, Mechanical behavior 1 Introduction With the new generations of airliners Boeing 787 and Airbus A350 XWB, it is expected that aeronautical applications will soon represent half of the annual consumption of titanium [1]. Increasing the engine efficiency implies to expose the various components made in Ti-base alloys at higher temperatures. In this case and in oxidizing atmosphere, Ti-base alloys form an oxide scale and dissolve a substantial amount of oxygen behind the metal. The oxygen-rich solid solution formed is called “-case”. This solid solution is harder and more brittle than the initial alloy. It can be observed by optical microscopy [2]. The depth of this affected zone increases with increasing temperature and exposure duration. When this hardened layer is formed during thermal treatments, it is often removed mechanically or chemically. Some investigations have shown that the presence of -case can modify the mechanical properties of titanium alloys [3, 4]. For
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21ème
Congrès Français de Mécanique Bordeaux, 26 au 30 août 2013
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Oxidation effect on the mechanical behavior of thin samples of
titanium alloy at 600°C
J. BAILLIEUXa, D. POQUILLON
a, J. HUEZ
a
a. CIRIMAT – CNRS/UPS/INPT, 4 allée Emile Monso - BP 44362 - 31030 TOULOUSE cedex 04, France
Résumé :
Les alliages de titane offrent une réelle opportunité d’évolution technologique pour l’industrie aéronautique
et spatiale. Leurs propriétés mécaniques élevées, d’un niveau comparable aux aciers, couplées à une plus
faible densité conditionnent le choix du titane pour alléger les structures. Son excellente tenue à la corrosion
permet aussi une large utilisation dans l’industrie chimique notamment. La littérature montre différentes
études sur le comportement mécanique des alliages de titane en fonction de leurs états de surface, leurs
traitements thermomécaniques et l’environnement d’usage. La forte réactivité du titane avec l’oxygène lors
de sollicitation à haute température conduit non seulement à la formation d’une couche d’oxyde mais aussi à
un enrichissement en oxygène du métal sous-jacent. Les effets de cette modification de composition chimique
sont importants sur la microstructure (-case). Dans cette étude, en partant d’éprouvettes d’épaisseur
différente en titane commercialement pur, nous nous focaliserons sur le comportement mécanique en
traction et en fluage entre 450 à 600°C. L’originalité de l’étude est de réaliser des essais mécaniques à
haute température sur des éprouvettes suffisamment minces pour ne plus être considérées comme homogènes
(substrat + -case + oxyde de titane). Ces essais sont corrélés aux analyses microstructurales dans le but
d’interpréter l’influence de l’enrichissement en oxygène sur le comportement mécanique de l’alliage.
Abstract:
Titanium alloys offer a real opportunity for technological improvement for the aerospace industry. Their
high mechanical properties, a level comparable to steel, coupled with a lower density condition the choice of
titanium to lighten structures. Excellent corrosion resistance also allows a wide use in chemical plants. The
literature shows several studies about the mechanical behavior of titanium alloys according to their surface,
their thermo-mechanical treatments and their environment of use. The high reactivity of titanium with
oxygen at high temperature not only leads to the formation of an oxide layer but also oxygen enrichment of
the underlying metal. The effects of this change in chemical composition are important for the
microstructure (-case). In this study, starting from samples of different thickness of commercially pure
titanium, we focus on the mechanical behavior in tension and creep between 450 to 600 ° C. The originality
of this study is to perform mechanical tests at high temperature on specimens thin enough to not be
considered as homogeneous (substrate + -case + titanium oxide). These tests are correlated with
microstructural analyzes carried out in order to interpret the influence of oxygen enrichment on the