Dans la fabrication de tubes chauffants en titane, l'étirage à froid réduit la section transversale d'un certain pourcentage avant le recuit final. Le niveau de travail à froid détermine la force motrice de la recristallisation lors du recuit. Un faible niveau de travail à froid de 5 % produit de gros grains recristallisés d'ASTM 4-5 (diamètre 80-120 µm). Un niveau élevé de travail à froid de 20 % produit de fins grains recristallisés de ASTM 8-10 (diamètre 11-22 µm). Dans l'air à 300 degrés, le matériau à grains fins présente une résistance 3 à 5 fois plus élevée à la fissuration par fatigue thermique, car les grains plus petits offrent plus de surface limite entre les grains pour s'adapter aux contraintes thermiques cycliques et résister à la propagation des fissures.

Le mécanisme d'influence de la taille des grains sur la résistance à la fatigue thermique

Lors d'un cycle thermique à 300 degrés, le tube en titane se dilate et se contracte. La déformation cyclique est compensée par le glissement et le glissement des joints de grains. Les matériaux à grains fins-ont plus de joints de grains par unité de volume, ce qui permet à la contrainte d'être répartie plus uniformément. L'initiation des fissures se produit au niveau des bandes de glissement et des joints de grains ; des grains plus fins réduisent la longueur de glissement et la concentration de contraintes aux joints de grains. Le taux de croissance des fissures de fatigue suit da/dN ∝ d^0,5, où d est la taille des grains. Réduire de moitié le diamètre des grains réduit le taux de croissance des fissures de 30 %. De plus, les grains fins constituent davantage de barrières à la propagation des fissures, forçant les fissures à changer de direction et à dissiper l’énergie.

Taille quantitative des grains recristallisés en fonction du travail à froid

Le recuit contrôlé de tubes en titane de grade 2 à 700 degrés pendant 30 minutes, après différents niveaux de travail à froid, a permis d'établir les tailles de grains recristallisés suivantes. Lors d'un travail à froid de 5 %, la taille des grains recristallisés est ASTM 3-5 (diamètre 50-125 µm) et la dureté après recuit est de 160-180 HV. À 10 % d'écrouissage, la granulométrie est ASTM 5-7 (32-64 µm) et la dureté est de 170-190 HV. À 15 % d'écrouissage, la granulométrie est ASTM 7-8 (22-45 µm) et la dureté est de 180-200 HV. À 20 % d'écrouissage, la granulométrie est ASTM 8-9 (16-32 µm) et la dureté est de 190-210 HV. À 30 % d'écrouissage, la granulométrie est ASTM 9-10 (11-22 µm) et la dureté est de 200-220 HV. À 40 % d'écrouissage, la granulométrie est ASTM 10-11 (8-16 µm) et la dureté est de 210-230 HV.

Durée de vie en fatigue thermique à 300 degrés en fonction de la taille des grains

Des tests cycliques dans l'air à 300 degrés avec une variation de température de 250 degrés (50 degrés à 300 degrés) sur 10 000 cycles ont établi les profondeurs de fissures de fatigue thermique suivantes pour le titane de grade 2. Pour les granulométries ASTM 3 à 5 (travail à froid à 5 %), la profondeur des fissures après 10 000 cycles est de 150 à 300 µm et la durée de vie en fatigue jusqu'à une fissure de 1 mm est de 30 000 à 50 000 cycles. Pour les granulométries ASTM 5 à 7 (travail à froid à 10 %), la profondeur des fissures est de 80 à 150 µm et la durée de vie jusqu'à 1 mm est de 60 000 à 100 000 cycles. Pour les granulométries ASTM 7 à 8 (travail à froid à 15 %), la profondeur des fissures est de 40 à 80 µm et la durée de vie jusqu'à 1 mm est de 120 000 à 200 000 cycles. Pour les granulométries ASTM 8 à 9 (travail à froid à 20 %), la profondeur des fissures est de 20 à 40 µm et la durée de vie jusqu'à 1 mm est de 250 000 à 400 000 cycles. Pour les granulométries ASTM 9 à 10 (travail à froid à 30 %), la profondeur des fissures est de 10 à 20 µm et la durée de vie jusqu'à 1 mm dépasse 500 000 cycles.

Guide de sélection du travail à froid et de la granulométrie pour un service aérien à 300 degrés

Le tableau suivant fournit des recommandations concernant le niveau de travail à froid préalable et la granulométrie résultante pour les tubes chauffants en titane destinés à être utilisés dans de l'air à 300 degrés, en fonction des cycles thermiques attendus et de la durée de vie souhaitée en fatigue.

Ingénierie au-delà du contrôle du travail à froid

La qualité du titane affecte le comportement de recristallisation. Le grade 7 recristallise à une température légèrement plus élevée que le grade 2 en raison du palladium, mais la taille finale des grains pour un niveau de travail à froid donné est similaire. Le grade 5 (Ti-6Al-4V) ne recristallise pas complètement dans ces conditions. L'épaisseur de la paroi n'affecte pas directement la taille des grains mais influence le temps de propagation des fissures ; un mur de 2,0 mm avec une fissure de 20 µm a 98 % de sa paroi restante. La température et la durée du recuit affectent également la taille des grains ; des températures plus élevées ou des temps plus longs font grossir les grains. Pour une résistance maximale à la fatigue thermique, un écrouissage supérieur à 20 % est bénéfique, mais un écrouissage excessif (au-dessus de 40 %) peut provoquer des fissures lors de l'étirage.

Faire une spécification éclairée

Pour un tube chauffant en titane fonctionnant dans l'air à 300 degrés avec un cycle thermique important, spécifiez un niveau de travail à froid préalable de 20 à 30 % avant le recuit final. Exiger une granulométrie finale recristallisée de ASTM 8 ou plus fine. Pour les applications comportant moins de 60 000 cycles prévus, un travail à froid de 10 à 15 % est acceptable. Pour les cycles sévères (démarrage-arrêt quotidien pendant 10 ans, environ 3 650 cycles), la différence entre ASTM 5 et ASTM 8 est négligeable et un écrouissage standard est suffisant. Pour les applications critiques avec des cycles thermiques rapides (plusieurs cycles par jour), spécifiez un travail à froid de 30 % et une granulométrie ASTM 9 ou plus fine. En contrôlant le niveau de travail à froid avant le recuit, l'ingénieur adapte la taille des grains pour atteindre la résistance à la fatigue thermique requise à 300 degrés.