Spheroidization in α/β titanium alloys : experimental analysis and numerical modeling

Les alliages de titane α/β ont beaucoup d’applications dans des domaines industriels divers comme l’aéronautique. Le phénomène de globularisation qui se produit lors de traitements thermomécaniques est un phénomène important dans la mesure où une microstructure globulaire présente une tenue mécanique et une ductilité accrues.Les microstructures lamellaires sont constituées de colonies de lamelles de phase α parallèles qui se développent dans les grains β au cours de leur refroidissement. La globularisation se fait en deux étapes : les lamelles se subdivisent d’abord en segments plus courts, puis ces segments globularisent, au cours de la déformation à chaud et des traitements thermiques. La subdivision des lamelles se fait au niveau des sous-joints formés au cours de la déformation à chaud. Lors de traitements thermiques prolongés, les plus gros globules de phase α grossissent au détriment des plus petits. La formation des sous-joints et le grossissement des globules n’ont pas été étudiés en détail dans ce travail. L’accent a été mis sur les mécanismes de migration des interfaces α/β et α/α qui conduisent à la subdivision des lamelles et à leur globularisation.Des essais de compression à chaud et des traitements thermiques appliqués à des échantillons de Ti-6Al-4V ont permis de confirmer que l’épaisseur des lamelles et de leur orientation sont des facteurs importants pour la globularisation. Les lamelles plus fines et celles orientées parallèlement à l’axe de compression globularisent plus facilement. Ce travail expérimental a permis de mieux appréhender la complexité du phénomène de globularisation et d’introduire un cadre numérique adapté pour sa simulation. Une méthode à champ complet, basée sur la méthode Level-Set dans un cadre Eléments Finis, a ainsi été testée pour simuler les mécanismes physiques de migration interfaciale menant à la subdivision des lamelles et à l'évolution vers une forme globulaire. Les premiers résultats sont très prometteurs et illustrent le potentiel du cadre numérique proposé.Α/β titanium alloys have many industrial applications in various fields such as aeronautics. Spheroidization is a phenomenon that occurs in initially lamellar α/β titanium alloys during thermomechanical processing and receives considerable attention as spheroidized microstructures exhibit enhanced strength and ductility.Lamellar microstructures are made of colonies of parallel α lamellae developed inside β grains while they are cooled down. Spheroidization actually proceeds in two successive steps: the lamellae first split into smaller α laths, which subsequently undergo spheroidization. This occurs during hot-deformation and subsequent annealing. Lamella splitting occurs where subboundaries were formed inside lamellae during hot-deformation. Over long term annealing the spheroidized α phase particles undergo coarsening. The formation of subboundaries and coarsening were not addressed in this work. The focus has been placed on the interfacial kinetics mechanisms leading α lamellae splitting during the first stages of spheroidization.Hot compression tests and subsequent annealings carried out on Ti-6Al-4V samples confirmed that the thickness and the orientation of the lamellae are important factors with regards to spheroidization. Thinner lamellae and lamellae oriented parallel to the compression axis spheroidize faster. Those experiments contributed to a better understanding of the phenomenon and allowed to introduce a suitable numerical framework to simulate the early stages of spheroidization. A full field method in a Finite Element/ Level Set framework has thus been tested for simulating the involved physical mechanisms of interface migration that lead to lamellae splitting and the subsequent shape evolution of the α laths towards a spheroidal shape. First results are promising and illustrate the potential of this numerical framewor