La «dwell fatigue» est un phénomène qui peut se produire dans les alliages de titane lorsqu’ils sont maintenus sous contrainte, comme le disque de soufflante d’un moteur à réaction pendant le décollage. Ce mode de défaillance particulier peut initier des fissures microscopiques qui réduisent considérablement la durée de vie d’un composant.
L’alliage de titane le plus utilisé, le Ti-6Al-4V, n’était pas censé présenter de fatigue d’attente avant l’incident du vol 066 d’Air France en 2017, au cours duquel un Airbus en route de Paris à Los Angeles a subi une panne de disque de ventilateur au-dessus du Groenland qui a forcé une urgence. un atterrissage. L’analyse de cet incident et de plusieurs préoccupations plus récentes ont incité la Federal Aviation Administration et l’Agence de la sécurité aérienne de l’Union européenne à coordonner les travaux dans l’ensemble de l’industrie aérospatiale pour déterminer les causes profondes de la fatigue à l’arrêt.
Selon les experts, les métaux se déforment principalement par glissement de dislocation, c’est-à-dire le mouvement des défauts linéaires dans le réseau cristallin sous-jacent. Les chercheurs soutiennent que la fatigue d’attente peut se déclencher lorsque le glissement est limité à des bandes étroites au lieu de se produire de manière plus homogène en trois dimensions. La présence de précipités intermétalliques de Ti3Al à l’échelle nanométrique favorise la formation de bandes, en particulier lorsque les conditions de traitement permettent leur ordonnancement à longue distance.
Les choses deviennent risquées lorsque ce comportement de bandes se produit dans un groupe contigu de grains orientés « mous », appelés « macrozone », ont expliqué les chercheurs. La concentration de déformation résultante, où la bande rencontre un grain orienté « dur » en dehors de la macrozone, conduit à une concentration de contraintes, initiant le processus de fissuration.
Pour compliquer davantage les choses, le glissement de dislocation se produit par intermittence en rafales ou « avalanches », de la même manière que de petits événements de glissement de faille peuvent déclencher des tremblements de terre plus importants. L’amplitude et la fréquence de ces avalanches de glissement influencent fortement l’initiation de la fatigue dwell.
Dans une étude récente menée par une équipe multinationale, comprenant des scientifiques actuels et anciens du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), les chercheurs ont utilisé des rayons X synchrotron pour suivre des événements discrets d’avalanche de glissement dans du titane maintenu sous charge à température ambiante.
Une équipe de l’Imperial College de Londres a fourni des échantillons de Ti–7Al spécialement préparé, un alliage représentant un substitut de la phase primaire du Ti-6Al-4V. Les populations de types de défauts à deux points ont été modulées sur les échantillons : la teneur en oxygène interstitiel et la quantité de précipités de Ti3Al ordonnés.
L’étude, publiée dans Communication Nature, montre que là où le Ti3Al présente un ordre, les avalanches de glissement sont plus sévères en amplitude de contrainte associée. En revanche, l’augmentation de la quantité d’oxygène interstitiel semble réduire la gravité, favorisant des avalanches plus fréquentes et plus petites.
« Ce travail offre une nouvelle vue à méso-échelle des événements de déformation intermittents (petites » rafales « de glissement plastique) qui sous-tendent la fatigue de séjour, en particulier comment la fréquence et l’ampleur de ces événements dépendent de la teneur en oxygène et de l’alliage « , a déclaré le co-auteur et LLNL. physicien Joël Bernier. « Ces données peuvent aider à guider le traitement pour éviter les microstructures qui ont un effet délétère sur la résistance à la fatigue. »
Bernier a aidé à exécuter des mesures de microscopie par diffraction des rayons X à haute énergie à la Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) et a effectué la réduction des données à l’aide de la bibliothèque logicielle HEXRD développée par LLNL. L’équipe a quantifié la fréquence et l’ampleur des sursauts de contrainte résultant des avalanches de glissement et a constaté que les deux types de défauts ponctuels avaient des effets prononcés sur le glissement se produisant sur les plans basaux du réseau cristallin.
Les chercheurs ont découvert que ce mécanisme de déformation devient plus facile à activer après la plastification initiale, un ramollissement connu pour être un précurseur de l’accumulation de dommages et de la défaillance dans les cas de fatigue dwell. Parmi les principales conclusions : une concentration plus élevée d’interstitiels d’oxygène a réduit l’ampleur moyenne des avalanches de glissement basales en favorisant des événements plus fréquents de faible ampleur.
En revanche, l’augmentation de la taille des précipités ordonnés de Ti2Al, en vieillissant le matériau à une température élevée, a augmenté à la fois la fréquence et l’ampleur des avalanches de glissement, augmentant la probabilité d’initiation de fissures. Selon l’équipe, ces découvertes peuvent aider à optimiser le traitement des alliages de titane pour la résistance à la fatigue.
Plus d’information:
Felicity F. Worsnop et al, L’influence de l’alliage sur l’intermittence de glissement et les implications pour la fatigue dwell dans le titane, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-33437-z