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.