Study of thermomechanical and microstructural couplings of a titanium alloys during Friction Stir Welding

Étude des couplages thermomécaniques et microstructuraux d’un alliage de titane au cours du soudage FSW

Gnofam Jacques Tchein (1)

1 I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux

Friction Stir Welding (FSW) is a solid state welding process used today in the aerospace, naval and rail transport sectors. It has the advantage of providing welds with better mechanical properties than fusion welding processes. Most of studies carried out on this process concern aluminum alloys. This work focuses on the study of thermomechanical and metallurgical phenomena during FSW of the Ti-6Al-4V alloy. The influence of the initial microstructure on the mechanical properties and the final microstructure is studied through an experimental study. The HAZ and TMAZ of the welds are very thin and the welds didn’t present any weak zone. The genesis of the microstructure during the process has been identified and is made up with three main steps: α → β phase change, continuous dynamic recrystallization of the β phase and formation of α grains within the recrystallized β grains. In order to set up a model to predict the microstructure in the weld nugget, hot torsion tests were performed to determine the rheological properties of TA6V. These tests also made it possible to set up an analytical behavior law of Ti-6Al-4V. The velocity fields during FSW are formulated analytically from the equations of fluid mechanics and thermal fields are determined numerically from a eulerian formulation.

Le soudage FSW (Friction Stir Welding) est un procédé de soudage à l’état solide appliqué aujourd’hui dans les secteurs des transports aérospatial, naval et ferroviaire. Il présente l’avantage de fournir des soudures aux propriétés mécaniques meilleures que celles des procédés de soudage par fusion de la matière. La plupart des études menées sur ce procédé concernent les alliages d’aluminium. Ce travail porte sur l’étude des phénomènes thermomécaniques et métallurgiques pendant le procédé de soudage FSW du TA6V. L’influence de la microstructure initiale sur les propriétés mécaniques et la microstructure finale est étudiée à travers une étude expérimentale. La ZAT et la ZATM des soudures ont une très faible épaisseur et les soudures ne présentent pas de zone de fragilité. La genèse de la microstructure pendant le soudage a été identifiée et s’articule en trois points: changement de phase α → β, recristallisation dynamique continue de la phase β, formation de grains α à l’intérieur des grains β recristallisés. Afin de mettre en place un modèle permettant de prédire la microstructure dans le noyau de la soudure, des essais de torsion à chaud ont été réalisés pour déterminer les propriétés rhéologiques du TA6V. Ces essais ont aussi permis de mettre en place une loi de comportement analytique du TA6V. Les champs de vitesse sont formulés analytiquement à partir des équations de la mécanique des fluides et les champs thermiques sont déterminés numériquement à partir d’une formulation eulérienne.

Mots clés: FSW; Ti-6Al-4V; Modeling

Mots clés: TA6V; Microstructure; Modélisation

Domaines: Mécanique [physics]

Gnofam Jacques Tchein. Étude des couplages thermomécaniques et microstructuraux d’un alliage de titane au cours du soudage FSW. Mécanique [physics]. Université de Bordeaux, 2018. Français. ⟨NNT : 2018BORD0344⟩. ⟨tel-02056765⟩