A contribution to the study of the mechanisms involved in the β → α transformation in titanium alloys for aeronautical purposes

Thèse confidentielle jusqu'au 17 décembre 2023.The first goal of the work is to investigate the influence of the nominal content in Al, Zr and Hf on the microstructural evolutions of beta-metastable Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr alloy during cooling (stepped and continuous) from the beta domain. Three beta-metastable alloys with different compositions are thus considered: Ti-5553 (reference), Natis 1 and Natis 2. We have monitored in situ the overall sequences and kinetics of phase transformations (electrical resistivity, HEXRD) and characterized post mortem the microstructures formed during these transformations (HEXRD, SEM, TEM, image analysis, macro-hardness). Coarse microstructures are also generated in the case of Natis alloys to unravel the role of Zr and Hf. Using all these techniques, we have been able to establish the time and temperature ranges where the stable (alpha, alpha2, beta) and metastable (alpha’’, omega) phases appear, to build TTT and CCT diagrams. It turns out that the overall kinetics of phase transformations and the resulting microstructures are highly dependent on thermal conditions but do not vary significantly between the three alloys. This results from the small difference in nominal composition between the alloys as well as from the neutral role of Zr and Hf elements in terms of partitioning. Based on the analysis of the isothermal kinetics using JMAK model, we have been able to predict the evolution of the phases and morphologies during cooling for the three alloys.The second aim of the work is to investigate the mechanisms involved in the beta → alpha and beta → alpha’’ transformations in Ti-5553 alloy. For this purpose, microstructures are generated during different isothermal treatments and the evolution of the microstructural features and compositions are determined following a quantitative multi-scale approach (HEXRD, SEM, TEM, STEM-EDX, APT). This investigation shows that there is a fast effective partition of the alloying elements during the beta → alpha transformation at high temperature (> 650°C): the compositions of alpha and beta do not vary significantly with holding time and are close to the predictions by Thermo-Calc®. At intermediate temperatures (600°C), alpha displays an initial non-equilibrium composition that evolves slowly towards equilibrium. This evolution has been analyzed using a phase field model, considering a ternary Ti-Mo-V alloy. The calculations have been shown to agree with the measurements if alpha growth is mixed mode, i.e. controlled by bulk diffusion and interfacial process. Finally, at low temperatures (325°C), beta → alpha’’ transformation is accompanied by short distance diffusion resulting in a slight partition between alpha’’ and beta that increases with the treatment duration.Le premier objectif de la thèse est d’étudier l’influence de la teneur nominale en Al, Zr et Hf sur les évolutions microstructurales d’un alliage bêta-métastable Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr au refroidissement (étagé et continu) depuis le domaine bêta. Trois alliages bêta-métastable de compositions différentes sont ainsi considérés : les alliages Ti-5553 (référence), Natis 1 et Natis 2. Nous utilisons des techniques, d’une part pour suivre en temps réel les séquences et cinétiques globales de transformations de phases (résistivité électrique, DRXHE), et d’autre part pour caractériser post mortem les microstructures héritées de ces transformations (DRXHE, MEB, MET, analyse d’images, macro-dureté). Des microstructures grossières sont également fabriquées dans le cas des alliages Natis en vue de préciser le rôle des éléments Zr et Hf. La complémentarité des moyens mis en œuvre permet in fine d’établir les domaines en temps et température d’apparition des phases stables (alpha, alpha2, bêta) et métastables (alpha’’, oméga) synthétisés sur les diagrammes TTT et TRC. Il s’avère ainsi que les cinétiques globales de transformations de phases et les microstructures résultantes sont fortement dépendantes des conditions thermiques, mais ne varient pas sensiblement selon l’alliage considéré. Cela résulte de la faible différence de composition nominale entre les alliages et du caractère chimiquement neutre de Zr et Hf. D’autre part, l’analyse des cinétiques en conditions isothermes par un modèle JMAK permet de prédire l’évolution des différentes phases et morphologies apparaissant au refroidissement dans les trois alliages.Le second objectif de la thèse est de déterminer la nature des transformations bêta → alpha et bêta→ alpha’’ dans l’alliage Ti-5553. À cet effet, des microstructures sont générées pour différentes conditions de transformations isothermes et les évolutions des caractéristiques microstructurales et chimiques sont étudiées par une approche quantitative et multi-échelle (DRXHE, MEB, MET, STEM-EDX, SAT). Ces analyses aux résultats concordants montrent une partition effective des éléments d’alliage lors de la transformation bêta → alpha à haute température (> 650°C) : la composition des phases alpha et bêta s’avère concorder avec celle calculée par Thermo-Calc®. Pour des températures intermédiaires (600°C), la composition de la phase alpha est hors équilibre, puis évolue au cours du temps pour tendre vers celle d’équilibre. Pour analyser cette évolution, nous utilisons un modèle de champ de phase en considérant un alliage ternaire Ti-Mo-V. La confrontation calculs/expériences suggère que la croissance de la phase alpha procède selon un mode mixte, associant diffusion en volume et processus interfacial. Enfin, pour les basses températures (325°C), la transformation bêta → alpha’’ s’accompagne aux premiers instants d’une diffusion à courte distance des éléments d’alliages conduisant à une phase bêta chimiquement hétérogène. La partition des éléments d’alliage entre alpha’’ et bêta est davantage marquée pour des temps de maintien isotherme prolongés