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Investigation d’alliages à base de titane de types béta-métastables pour applications marines : cas particulier d’un winch innovant

By Jennifer Dupuis

Abstract

Titanium alloys are used in numerous fields as aerospace industry, automotive industry, off-shore industry, and, in several applications such as medical and marine applications. This is due to their good properties like high mechanical strength, low density and excellent corrosion resistance. In order to be used for an innovating winch and so in a marine environment, we have chosen to study three β-metastable titanium alloys which are Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al, Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si and Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr. In marine environment, materials are exposed to tough conditions which can generate their destruction. Several modes of degradation exist. It is so interesting to evaluate the corrosion resistance of these alloys and to search their best corrosion protection. So, the heart of the study is to select titanium alloys to meet the specifications of the innovating winch. At first, we defined thermomechanical treatments for those titanium alloys and then these materials were characterized to know their mechanical and metallurgical properties. These tests allowed us to have a well knowledge of mechanical properties of these alloys and to choose which alloys can be employed in a winch. Then, galvanic corrosion tests were made in nitric acid, sodium chloride and sodium hydroxide. We measured potential differences between our treated titanium alloys and other materials which may be used in a winch such as stainless steels, aluminum alloys and leaded brass. Then, in order to evaluate the behavior of the passive film in marine environment of titanium alloys, electrochemical corrosion tests were conducted using a three-electrode method in sodium chloride and natural seawater electrolytes. So, free potential and cyclic voltammetry measurements were conducted. The flaw of titanium alloys is their low friction coefficient. So in order to improve the coefficient of friction of titanium alloys it is useful to do a surface treatment. In this study, a gaseous nitriding thermochemical treatment was done for the most recent developed alloy among the three studied nuances, which is Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr. Then this treated alloy was characterized too similarly to the three thermomechanical treated titanium alloys. All of tests we led allowed us to know which titanium alloys with which thermomechanical and surface treatments may be used for the innovating winch.Les alliages de titane sont utilisés dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique et l’aérospatial, l’industrie automobile, les plateformes offshore et d’autres applications telles que le biomédical et l’environnement marin. Le choix d’utiliser des alliages de titane repose sur le fait que ces alliages disposent d’un excellent ratio entre la résistance mécanique et la densité ainsi qu’une excellente résistance à la corrosion. Afin d’être employés pour une application marine telle que celle d’un winch innovant, nous avons choisi de travailler sur trois nuances d’alliages de titane β-métastables que sont les alliages Ti-6.8Mo-4.5Fe- 1.5Al, Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si et Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr. Le milieu marin est une atmosphère qui expose les matériaux à des conditions telles qu’elles peuvent générer leur destruction. Divers moyens de dégradation existent. Il était donc intéressant d’évaluer la résistance à la corrosion de ces alliages et de chercher à les protéger contre la corrosion. Le coeur de cette étude repose sur la sélection des alliages de titane susceptibles de répondre au cahier des charges du winch innovant. Des traitements thermomécaniques ont d’abord été définis, puis les alliages ont été caractérisés métallurgiquement et mécaniquement. Ces caractérisations ont permis de connaître les propriétés mécaniques des alliages et de sélectionner les alliages potentiellement employables au sein du winch. Puis des essais de corrosion galvaniques ont été menés via la mesure de différences de potentiel entre les alliages de titane traités et d’autres matériaux susceptibles d’être employé au sein du winch tels que des aciers inoxydables, des alliages d’aluminium et des laitons au plomb. Puis, afin d’évaluer le comportement en corrosion marine du film passif des alliages de titane, des essais de corrosion électrochimiques ont été faits à l’aide d’un dispositif à trois électrodes dans des électrolytes de type chlorure de sodium et eau de mer naturelle. Ainsi des mesures de potentiel libre et de voltammétrie cyclique ont été menées. Le point faible des alliages de titane est le comportement en frottement. Dans ce cas, afin de réduire le coefficient de frottement de ces alliages, il est souvent nécessaire d’effectuer un traitement de surface. Dans cette étude, un traitement thermochimique de nitruration gazeuse a donc été fait sur l’alliage de titane le plus récemment développé parmi les nuances étudiées à savoir le Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr. Cet alliage ainsi traité a été caractérisé de façon identique aux alliages traités thermomécaniquement. L’ensemble des essais menés au cours de cette thèse ont permis de déterminer quels alliages de titane parmi ceux étudiés seraient les plus susceptibles d’être employés au sein du winch innovant

Topics: Titanium, Electrochemistry, Seawater corrosion, Electrolytic corrosion, Microstructure, Corrosion galvanique, Essais mécaniques, [ CHIM.MATE ] Chemical Sciences/Material chemistry
Publisher: HAL CCSD
Year: 2014
OAI identifier: oai:HAL:tel-01138462v1
Provided by: Thèses en Ligne

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