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Theses Year : 2019

Mechanical characterization of Linear Friction Welded Titanium alloys

Caractérisation mécanique d'alliages de titane soudés par friction linéaire

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Abstract

The mechanical properties in terms of tensile behaviour, fatigue strength and toughness of Linear FrictionWelded (LFW) Titanium (Ti) alloys were studied and compared to the parent materials' (PM) behaviour. LFWis a solid state joining process that could be used for assembling heavily loaded structures in the aerospaceindustry. Since the Weld Centre Zone (WCZ) of a similar Ti6242 LFW joint exhibited overmatching strength,its fracture mechanisms and ductility were investigated by micro-tensile tests using notched specimens. Theyrevealed some ductility and a mixture of brittle and ductile fracture mechanisms. Local strain and normalizedstrain rate fields on smooth samples were assessed by Stereo Digital Image Correlation (SDIC) and showedan early plastic activity at yielding in the vicinity of the WCZ, attributed to residual stresses. For the target lifeof 105 cycles, the fatigue strength was slightly reduced but compromised by a strong scatter that was relatedto prior to welding contamination. The LFW self-cleaning mechanism also failed to extrude the contaminantsat the weld interface of a dissimilar Ti17-Ti64 LFW joint that led to pseudo-brittle fracture at a defect layerin the WCZ. For a pre-cleaned dissimilar Ti17-Ti64 LFW joint, ductile rupture was observed sometimes atthe Ti64 PM and sometimes at the Ti17 thermo-mechanically affected zone (TMAZ), due to a depletion ofthe strengthening alpha phase. Fatigue cracks initiated at the weak Ti17 TMAZ with a reduced fatigue strengthcompared to the PM. Fracture toughness was significantly reduced and the fracture surface at the TMAZhighlighted unexpected clusters of parallel and elongated voids. These trends were also observed for a similarTi17 LFW joint. Comparable mechanical properties to those of the Ti17 PM were successfully regained bymeans of a post-weld heat treatment.
Les propriétés mécaniques en termes de comportement monotone, résistance en fatigue et ténacité d’alliagesde titane soudés par friction linéaire ont été étudiées et comparées à celles des matériaux de base. Le soudage par friction linéaire est un procédé de soudage à l’état solide qui pourrait être utilisé dans l’industrie aéronautique pour assembler des structures fortement chargées. Étant donné que le noyau de soudure du joint mono-matériau Ti6242 a montré une résistance mécanique supérieure à celle du matériau de base, ses propriétés mécaniques ont été étudiées en utilisant des éprouvettes entaillées. Elles ont montré une certaine ductilité et une rupture mixte entre des mécanismes ductiles et fragiles. Les champs de déformation locale et de vitesse de déformation normalisée ont été étudiées sur des éprouvettes lisses. Une activité plastique précoce a été observée dans le voisinage du noyau de la soudure et elle a été attribuée aux contraintes résiduelles. Pour la durée de vie visée de 105 cycles, la résistance en fatigue a légèrement été réduite mais compromise avec une forte dispersion de la durée de vie reliée à la contamination avant soudage. Le mécanisme auto-nettoyant n’a pas réussi à extruder les contaminants à l’interface d’un joint bi-matériauxTi17-TA6V et a mené à une rupture fragile au niveau d’une couche de défauts. Pour un joint bi-matériauxTi17-TA6V nettoyé avant soudage, une rupture ductile a été observée tantôt au niveau du matériau de baseTA6V tantôt au niveau de la zone thermo-mécaniquement affectée (TMAZ) côté Ti17, due à un épuisement de la phase durcissante alpha. L’amorce des fissures de fatigue a eu lieu au niveau de la TMAZ Ti17 avec une résistance en fatigue réduite. La ténacité a également été dégradée et le faciès de rupture au niveau de la TMAZ a dévoilé des amas de cavités allongées et parallèles. Les mêmes tendances ont été observées pour un joint mono-matériau Ti17. Un traitement thermique post-soudage de celui-ci a permis de retrouver avec succès des propriétés proches de celles du MB.
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Cite

Juan-Manuel Garcia. Mechanical characterization of Linear Friction Welded Titanium alloys. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2019. English. ⟨NNT : 2019PSLEM045⟩. ⟨tel-02512860⟩
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