Modélisation de la résistance à l'usure pour TC21 Ti

Mar 14, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4624 (2023) Citer cet article

Cette étude a examiné l'effet des processus de traitement thermique sur la résistance à l'usure par glissement à sec de l'alliage Ti TC21 à plusieurs niveaux de charge normale et de vitesse de glissement. La méthodologie de la surface de réponse (RSM) a été utilisée comme conception de la procédure expérimentale. OM et FESEM en plus de l'analyse XRD ont été utilisés pour justifier les résultats. La dureté la plus élevée de 49 HRC a été enregistrée pour les échantillons WQ + vieillissement en raison de l'abondance de α″ qui se décomposait en αs et plus d'αs, tandis que la dureté la plus basse de 36 HRC a été rapportée pour les échantillons WQ. Les résultats ont révélé que les éprouvettes soumises à une trempe à l'eau et à un vieillissement (WQ + Aging) dans des conditions de charge et de vitesse extrêmes (50 N et 3 m/s) possédaient la plus faible résistance à l'usure bien qu'elles aient la dureté la plus élevée. Alors que ceux laissés à l'état recuit ont révélé la résistance à l'usure la plus élevée, bien qu'ils aient une dureté beaucoup plus faible par rapport à d'autres conditions. Un modèle mathématique polynomial de résistance à l'usure exprimée en taux d'usure a été développé, validé puis utilisé pour obtenir les paramètres optimaux.

Plusieurs applications d'ingénierie exigent que les ingénieurs obtiennent des matériaux présentant une résistance, une rigidité, une ténacité à la rupture élevées et des températures de service extrêmes avec un faible poids1. Cet ensemble de propriétés peut facilement être soutenu par le titane (Ti) et ses alliages. En conséquence, leur gamme d'applications est étendue pour inclure des applications d'ingénierie avancées dans les secteurs de la construction, de l'automobile, de la production d'énergie, du biomédical, du traitement chimique, de l'aérospatiale et de la marine2,3. Cependant, le titane et ses alliages rencontrent des difficultés lorsqu'ils sont utilisés dans le domaine de l'usure et du frottement. Ceci est attribué à leur faible résistance à l’usure et à leur affinité chimique élevée dans certaines circonstances par rapport aux aciers4. TC21 est un alliage de Ti insensible aux dommages nouvellement développé, doté d'une résistance spécifique et d'une température de service élevées5. Il appartient aux alliages α + β qui représentent plus de 70 % du marché des alliages de Ti6. En effet, ces alliages peuvent être renforcés par des traitements thermiques et thermomécaniques. Ainsi, une large gamme de microstructures et de propriétés mécaniques peut être obtenue pour personnaliser les applications7. Le TC21 est considéré comme un concurrent sérieux et un remplaçant pour le célèbre alliage de Ti Ti-6Al-4V (Ti64)8. Certains considèrent le Ti64 comme un alliage de référence pour l'industrie du titane, il domine 50 % du marché mondial6. Bien que les deux alliages soient des alliages α + β, le TC21 a une résistance spécifique et une ténacité à la rupture plus élevées que l'alliage Ti64. La demande déposée pour TC21 concerne des produits aérospatiaux tels que des composants de trains d'atterrissage, des structures porteuses, des arbres de moteur, des fuselages et des châssis9.

Le comportement à l’usure du TC21 a été étudié du point de vue de l’usure par glissement et de l’usure par frottement. Elshear et al.10 ont étudié l'effet de la vitesse de refroidissement et du processus de vieillissement sur le comportement à l'usure de l'alliage de Ti TC21 déformé. La meilleure combinaison de propriétés a été obtenue grâce aux conditions de refroidissement à l'air et de vieillissement (AC + vieillissement). Dans un autre travail11, les auteurs ont étudié l’effet de la déformation à froid en complément du traitement thermique. X. Guo et al.4 ont étudié l'influence de traitements thermiques simples, doubles et triples sur la microstructure et les propriétés d'usure par glissement à sec de l'alliage TC21. Ils ont constaté que la résistance à l’usure de la microstructure α + β en vannerie (résultant de traitements doubles et triples) est supérieure à celle de la microstructure β monophasée. Pour l'usure par frottement, les résultats de Lin et al.12 ont révélé que l'amplitude avait la plus grande influence sur la résistance à l'usure par rapport à la fréquence et à la charge normale. le mécanisme de dommage était principalement un mécanisme d’usure abrasive. Selon Yan et al.13, l'usure par fretting a été réalisée à température élevée (150 °C). Les auteurs ont rapporté que l'effet de la température sur le coefficient de frottement dépendait du déplacement. De plus, par rapport à la température ambiante, le taux d’usure a été réduit de 67,4 à 86,5 % et le mécanisme d’usure par oxydation était le mécanisme principal. Loin d'utiliser des procédés de traitement thermique traditionnels pour contrôler les caractéristiques d'usure de l'alliage TC21, de nombreuses recherches14,15,16 ont rapporté l'exploitation de la technologie de modification de surface et du processus d'oxydation pour améliorer la dureté et la résistance à l'usure de l'alliage TC21.