Impact of Vibratory Peening on the Fatigue Properties of the Ti-6Al-4V Titanium Alloy

L’alliage de titane Ti-6Al-4V est un matériau métallique choisi pour ses propriétés mécaniques élevées relativement à sa faible densité. A cause de son coût élevé, ce matériau est principalement choisi pour les composants structuraux de systèmes avancés tels que les turbines aéronautiques. Ces composants sont soumis à des efforts répétés qui mènent à la rupture par fatigue. Cette thèse participe à l’effort de recherche industrielle pour maximiser la vie en fatigue des composants en Ti-6Al-4V afin de minimiser les coûts de maintenance. Le grenaillage est un procédé de traitement de surfaces répandu pour augmenter la vie en fatigue des composants grâce à l’effet bénéfique des contraintes résiduelles de compression qu’il introduit à la surface. Cependant, ce traitement détériore la rugosité de surface, ce qui peut avoir un effet négatif sur la vie en fatigue mais réduit également les performances aérodynamiques. Le traitement de tribo-finition est employé pour polir la surface mais requiert des temps de traitement excessivement longs et peut diminuer les effets bénéfiques du grenaillage. De plus, les traitements à étape multiple sont très coûteux pour les entreprises. Le grenaillage vibratoire est un procédé de traitement de surfaces émergeant qui polit la surface et introduit des contraintes résiduelles de compression en une seule opération de faible durée. Le principe consiste à fixer un composant dans une cuve vibrante remplie de billes. Le traitement est réalisé par les impacts répétés des billes sur la surface du composant. Le développement de ce procédé est imminent, accompagné de l’évolution de la conception des machines. Ce projet vise à comprendre et optimiser le procédé de grenaillage vibratoire pour augmenter la vie en fatigue du titane Ti-6Al-4V. Trois campagnes expérimentales ont été réalisées avec une machine de dernière génération. La procédure Almen a permis contrôler les paramètres du procédé. L’évolution des propriétés de surface du Ti-6Al-4V pendant le traitement de grenaillage vibratoire a été étudié pour plusieurs ensembles de paramètres afin d’optimiser le comportement en fatigue. Une campagne d’essais de fatigue a permis de comparer la performance du grenaillage vibratoire avec les procédés conventionnels de grenaillage et tribofinition. Les échantillons de titane Ti-6Al-4V employés pour la caractérisation des propriétés de surface et en fatigue ont été fournis par Safran, en suivant leur procédé de fabrication standard. Les conclusions de ce projet sont adaptées à des matériaux industriels qui ciblent les applications visées du procédé de grenaillage vibratoire. Les résultats ont montré que seulement trois paramètres sont importants à considérer lors de la conception d’une machine de grenaillage vibratoire. Augmenter l’énergie de vibration de la cuve en augmentant l’eccentricité et la fréquences des arbres tournant, et la pression hydrostatique du média en augmentant la profondeur d’immersion du composant ont eu pour effet augmenter l’intensité Almen. Ceci permet d’atteindre l’équilibre optimal entre fini de surface et contraintes résiduelles de compression, ainsi que de réduire le temps de traitement nécessaire pour obtenir les propriétés finales de surface que le procédé est capable de produire. La sélection optimale de paramètres de grenaillage vibratoire a introduit des contraintes résiduelles de niveaux similaires à ceux introduits par grenaillage conventionnel, mais à des profondeurs plus importantes et pour une rugosité sept fois plus faible. Le procédé de tribofinition appliqué après le grenaillage conventionnel a produit un fini de surface de meilleur qualité que le grenaillage vibratoire pour des contraintes résiduelles optimales. Cependant, plus de vingt-quatre heures de traitement séparées en quatre opérations ont été nécessaires tandis que une seule opération de vingt minutes était suffisante en grenaillage vibratoire. Les effets microstructuraux de déformation plastique à la surface du titane Ti-6Al-4V ont été investigués. Seulement des faibles changements de concentration de dislocations ont été observés. Peu de rafinement de grains ou d’activité de mâclage ont été observés. Pas de durcissement notable n’a été mesuré dans ce matériau à cause de son faible potentiel de durcissement. L’effet des traitements de surface sur la vie en fatigue dans cette étude est uniquement attribué aux contraintes résiduelles et à la rugosité. Le grenaillage vibratoire a repoussé les initiations de fissure sous la surface pour des niveaux de chargement en fatigue inférieurs à la limite d’élasticité du matériau. Le même effet a été observé pour les procédés conventionnels de grenaillage et tribo-finition, qui était attribué à l’équilibre optimal entre contraintes résiduelles et rugosité de surface. Pour des niveaux de chargement en fatigue au-delà de la limite d’élasticité du matériau, le grenaillage vibratoire a démontré une capacité légèrement inférieure aux procédés conventionnels à retarder la propagation des fissures initiées en surfaces. L’optimisation des contraintes résiduelles produites par grenaillage vibratoire dans des composants à géométrie cylindrique est nécessaire. Les résultats de cette thèse guident le développement du procédé de grenaillage vibratoire et l’optimisation de l’équilibre entre rugosié de surface et contraintes résiduelles pour tout type de traitement de surface appliqué au titane Ti-6Al-4V. Les conclusions sont directement applicables au développement du procédé sur des composants aéronautiques.

Abstract

Ti-6Al-4V titanium alloy is a metallic material of choice for its balance between high mechanical properties and low density. Because of its high cost, applications mainly include structural components in advanced systems such as aircraft turbines. Such components are subjected to high cyclic loading which eventually lead to fatigue failure. This thesis contributes to the industrial research for service life optimization of Ti-6Al-4V components to minimize systems maintenance costs. Shot peening is a mechanical surface treatment widely used for fatigue life enhancement with the beneficial effect of compressive residual stresses produced at the surface. However, shot peening deteriorates the surface finish, which can have detrimental effect on the fatigue life and reduce the aerodynamic performance. Vibratory finishing treatment is used to polish the surface but requires excessively long processing times and reduces the beneficial effects of shot peening. Moreover, multiple step treatments are expensive for industries. Vibratory peening is an emerging mechanical surface treatment which introduces compressive residual stresses and produce smooth surface finish within a single operation of short processing time. The component to be treated is fixed inside a vibrating tub filled with media. The treatments are performed by the repeated low energy media impacts at the component surface. The development of vibratory peening is imminent, paralleled with the evolution of machine design. This projects aims at understanding and optimizing the vibratory peening processes to improve the Ti-6Al-4V fatigue life. Three experimental campaigns were performed using a machine design of last generation. The Almen intensity procedure was used to control the processing parameters. The evolution of different surface properties during the vibratory peening treatments were investigated for various sets of parameters to optimize Ti-6Al-4V fatigue behavior. A fatigue test campaign compared the performance of vibratory peening with shot peening and vibratory finishing. Surface properties and fatigue behavior evaluations were performed on Ti-6Al-4V specimens delivered by Safran according to their standard manufacturing process. The conclusions of this project are adapted to the targeted industrial applications by vibratory peening. Results showed that only three vibratory peening process parameters were important to consider for designing a machine. Increasing the vibrating tub energy by increasing the rotating shaft eccentricity and frequency, and hydrostatic pressure from the media by increasing the component immersion depth result in increasing Almen intensity. This optimized the balance between residual stresses and surface roughness, as well as reduced the processing time to reach the final surface properties of the process. The surface properties produced by vibratory peening were compared to shot peening and vibratory finishing. The optimal set of processing parameters in vibratory peening introduced compressive residual stresses with similar magnitudes than shot peening. The distribution showed greater depths of influence for vibratory peening and a surface roughness seven times lower. Vibratory finishing applied after shot peening produced a higher quality of surface finish for similar residual stresses as shot peening only. However, vibratory finishing required four different steps for a total of more than twenty four hours of processing time, while vibratory peening consisted in a single operation of twenty minutes only. The Ti-6Al-4V microstructural features related to plastic deformation induced by media impacts were investigated near the treated surface of peened specimens. Only small dislocation concentration variations were observed. Grain refinement and twinning activities could not be captured. No appreciable hardening effect was measured, related to the low strain hardening behavior of the material. The effect of mechanical surface treatments on fatigue life is attributed to compressive residual stresses and surface finish only. Vibratory peening was able to push fatigue crack initiations below the surface for fatigue loading at levels below the yield stress, like the conventional processes. This was associated to the optimal balance between residual stresses and surface roughness. For loading levels above the yield stress, vibratory peening showed a slightly lower efficacy for delaying the fatigue surface-driven crack propagation than the conventional processes. Optimizing the compressive residual stresses produced by vibratory peening in cylindrical geometry components is required. The findings of this study offer different guidelines for the development of the vibratory peening processes but also to optimize the balance between surface roughness and compressive residual stresses for any mechanical surface treatments applied on Ti-6Al-4V. The conclusions are directly applicable to advanced industries such as aero-engines manufacturers.