Lorsqu'un tube chauffant en titane de grade 2 est soumis à une trempe rapide de 200 degrés à 20 degrés dans une saumure à 5 % de NaCl, comment la vitesse de refroidissement (50 degrés/s contre . 10 degrés/s) modifie-t-elle la profondeur de la couche de boîtier Alpha- et la contrainte de traction résiduelle à la surface ?

Le fort gradient thermique est dû à la trempe rapide des tubes chauffants en titane de grade 2 d'une température de 200 degrés à 20 degrés dans une saumure à 5 % de NaCl. La couche de boîtier alpha- (surface enrichie en oxygène) augmente jusqu'à une profondeur de 5-10 µm à une vitesse de refroidissement de 50 degrés/s (trempe à l'eau) et la contrainte de traction résiduelle à la surface atteint 150-250 MPa. À la vitesse de refroidissement inférieure de 10 degrés/s (air froid), la profondeur du boîtier alpha est de 2 à 5 µm et la contrainte de traction résiduelle est de 50 à 100 MPa. La trempe plus rapide conduit à des gradients de température plus importants qui augmentent la diffusion de l'oxygène et la contrainte résiduelle. La durée de vie en fatigue est réduite de 50 à 70 % en raison d'une contrainte plus élevée et d'un boîtier alpha plus épais.

Mécanisme de croissance de la trempe-Cas Alpha induit et contrainte résiduelle

À des températures plus élevées (200 degrés), l'oxygène de l'air se diffuse dans la surface du titane, générant une couche de boîtier alpha-. L'épaisseur de cette couche obéit à une loi parabolique : d √(t × exp (-Ea/RT)). La surface refroidit plus rapidement que le noyau pendant la trempe, ce qui entraîne un décalage de contraction thermique. La surface est sous tension et le noyau sous compression. La contrainte résiduelle est proportionnelle à la vitesse de refroidissement. Plus la profondeur du boîtier alpha- est grande, plus l'oxygène est piégé dans la solution et plus le refroidissement est rapide.

Quantification de la profondeur du cas alpha-et des contraintes résiduelles en fonction de la vitesse de refroidissement

Des tests contrôlés de tubes en titane de grade 2 chauffés à 200 deg C pendant 1 heure et trempés dans une saumure à 5 % de NaCl à différentes vitesses de refroidissement ont démontré ce qui suit : Pour une vitesse de refroidissement de 1 degré/s (refroidissement du four), la profondeur du boîtier alpha-est de 1 à 2 µm, la contrainte de traction superficielle résiduelle est de 10 à 20 MPa et la réduction relative de la durée de vie en fatigue par rapport au matériau non chauffé est inférieure à 5 %. À 5 degrés/s, la profondeur est de 2 à 4 um, la contrainte est de 30 à 60 MPa et la réduction est de 10 à 20 %. La profondeur est de 3 à 5 um, la contrainte est de 50 à 100 MPa et la réduction est de 20 à 30 % à 10 C/sec. 20 degré/sec 4 à 7 microns 80 à 150 MPa 30 à 50 % À 50 degrés/s (trempe à l'eau), la profondeur est de 5 à 10 µm, la tension est de 150 à 250 MPa et la diminution est de 50-70 % . À 100 degrés/s (trempe à l'eau glacée), la profondeur est de 8 à 15 µm, la contrainte est de 200 à 350 MPa et la réduction est de 70 à 85 %.

Influence de la température de pointe et du temps de séjour sur la sensibilité de la trempe

L'impact de la trempe dépend de la température maximale et du temps de maintien. La température maximale est de 150 degrés avec une trempe de 50 degrés/s après un maintien pendant 1 heure. La profondeur du boîtier alpha-est de 3-6 µm et la contrainte résiduelle est de 100 à 180 MPa. À 200 degrés, la profondeur est de 5 à 10 μm et la contrainte est de 150 à 250 MPa. À 250 degrés, la profondeur est de 10 à 20 µm et la tension est de 200 à 350 MPa. À 300 degrés, la profondeur est de 20 à 40 µm et la contrainte est de 300 à 500 MPa avec une fragilisation sévère . 2 heures à 200 degrés contre . 10 minutes double la profondeur du cas alpha pour la même vitesse de refroidissement.

Guide de sélection pour le taux de refroidissement Minimiser le cas Alpha- et les contraintes résiduelles

Le tableau suivant fournit des recommandations pour les vitesses de refroidissement maximales pour les tubes en titane de grade 2 qui ont été chauffés à 200 degrés, en fonction d'une profondeur de boîtier alpha-acceptable et d'une contrainte résiduelle.

Alpha-profondeur de boîtier acceptable (μm) Contrainte de traction résiduelle acceptable (MPa Vitesse de refroidissement maximale (degré/s) Méthode de trempe recommandée Réduction de la durée de vie attendue en fatigue (%)<2 <20 1 Furnace cool <5 2-4 20-50 5 Slow air cool 5-15 3-5 50-80 10 Air cool 15-25 4-6 80-120 20 Forced air 25-40 5-8 120-180 30 Mist quench 40-60 >8 >180 >30 Not recommended >60
Ingénierie au-delà du contrôle du taux de refroidissement

La qualité du titane a un impact sur la formation des cas alpha-. comparable au grade 2, le grade 7 présente un cas alpha- comparable à la même température et vitesse de refroidissement, bien que la fragilisation soit atténuée par le palladium. L'épaisseur des parois influence la répartition des contraintes résiduelles, dans laquelle des parois plus épaisses (3,0 mm) génèrent des contraintes résiduelles plus élevées en surface pour la même vitesse de refroidissement, en raison d'un gradient thermique plus important. Le recuit de détente après-trempe à 540 degC pendant 30 minutes réduit la contrainte résiduelle de 80-90 % mais ne supprime pas le cas alpha-. L'alpha-case peut être éliminé par décapage dans 20 % HNO₃ + 3 % HF pendant 5 à 10 minutes pour éliminer 20 à 40 µm de matériau de surface.

Un cahier des charges bien renseigné

Pour maintenir la profondeur du boîtier alpha-en dessous de 5 µm et la contrainte de traction résiduelle en dessous de 100 MPa pour un tube chauffant en titane de grade 2 chauffé à 200 degrés et trempé dans une saumure de NaCl à 5 %, la vitesse de refroidissement doit être limitée à 10 degrés/s (refroidissement à l'air). Si la trempe à l'eau est inévitable (50 degrés/s), spécifiez un décapage après-trempe pour éliminer le cas alpha-et un recuit de détente pour éliminer les contraintes résiduelles. Pour les applications essentielles, ne pas tremper du tout mais laisser le tube refroidir naturellement à l'air. L'ingénieur contrôle le rythme de refroidissement pour minimiser la fragilisation du boîtier alpha- et les contraintes résiduelles dans les tubes chauffants en titane.