Étude de l'influence de la métallurgie et de la microstructure sur la tenue des assemblages titane-acier par faisceau laser

Abstract

The dissimilar laser welding of titanium alloys with stainless steel is of high interest for different industrial applications. However, the joining of these materials by direct fusion is hardly achievable because of the presence of brittle intermetallic phases in the Ti-Fe system that produce spontaneous cracking of the welds. The scientific aim of this thesis is to identify a reliable criterion that allows identifying the possible conditions allowing obtaining a durable dissimilar titanium/steel joints, in terms of mechanical strength in service conditions. The determination of this criterion is necessary for the comprehension of the relation between the microstructure of the melted zone and the mechanical strength of the joint. Another aim of this thesis is to prove the feasibility of dissimilar laser titanium/steel joints in the context of small series industrial production.To meet this challenge, in the first place, the feasibility of direct joining, without intermediate material, was investigated. The application of an extreme laser beam offsets on titanium allowed reducing the development of brittle intermetallics to the µ-metric reactive interface situated at the border of the melted zone, and in this way obtaining defect-free joints. However, these welds showed a brittle tensile behavior associated with low joint coefficients and the probabilistic fracture propagation.The use of intermediate materials having an ideal metallurgical compatibility with titanium (vanadium and niobium) in two-pass welding with two separate melted zones allowed to overcome the embrittlement related to the formation of brittle titanium/steel intermetallics. The joints with vanadium interlayer showed a high joint coefficient and ductile tensile behavior within a sufficiently wide range of operating parameters. Joints fabricated with niobium interlayer showed similar performances in comparison with direct joining due to the creation of brittle intermetallics in the niobium/steel melted zone.Finally, a multimaterial approach with three-pass welding of titanium/niobium/copper/steel assembly was investigated. The absence of intermetallic phases in the individual binary systems allowed achieving a ductile tensile behavior of the assembly with tensile strength limited by the mechanical properties of copper insert.This study allowed identifying concrete solutions to meet industrial needs for the production of dissimilar titanium-stainless steel assemblies in small series and shed light on the production difficulties linked to the reproducibility of the microstructures and the quality of the preparation of the welded parts.La réalisation des assemblages dissimilaires par laser entre les nuances de titane et d’acier inoxydable représente un grand intérêt pour différentes applications industrielles. Cependant, un assemblage direct par fusion de ces matériaux est difficilement réalisable à cause de l’existence de phases intermétalliques fragiles dans le système Ti-Fe provoquant la fissuration spontanée des jonctions. L’objectif scientifique de cette thèse est de déterminer un critère fiable permettant d'identifier, si elles existent, les conditions d'obtention d'une jonction bimétallique titane/inox durable, en termes de tenue mécanique en service des assemblages. La détermination de ce critère est nécessaire pour la compréhension du lien entre la microstructure d'un joint soudé et la tenue mécanique de la structure soudée. Un autre objectif est de prouver la faisabilité de l'assemblage titane/inox par soudage laser dans le contexte particulier d'une production industrielle de petite série de pièces.Pour répondre à cette problématique, dans un premier temps, la faisabilité des assemblages directs, sans matériau d’apport, a été étudiée. L'application d'un décalage extrême du faisceau laser sur le titane a permis de réduire le développement des phases fragiles à une interface réactionnelle micrométrique située à la limite de la zone fondue, et de cette manière d'obtenir des assemblages sans défauts apparents. Cependant, ces assemblages montrent un comportement fragile en traction avec des coefficients de joint faibles et une nature probabiliste de la propagation de la rupture.L’utilisation d'inserts de matériaux ayant une compatibilité métallurgique idéale avec le titane (le vanadium et le niobium) en configuration bipasse avec deux zones fondues isolées, a permis de s’affranchir de la fragilisation liée aux phases intermétalliques se formant entre l’inox et le titane. Les assemblages réalisés avec un insert vanadium ont montré un coefficient de joint élevé et un comportement ductile en traction dans une plage suffisamment large des paramètres opératoires, alors que les assemblages réalisés avec un insert en niobium ont montré des performances équivalentes aux assemblages réalisés sans insert à cause de la formation de phases fragiles dans la zone fondue niobium/inox.Finalement, une approche multi-inserts avec un soudage en trois passes d’un assemblage titane/niobium/cuivre/inox a été testée. Une absence de phases intermétalliques dans les systèmes binaires pris à part a permis d'obtenir un comportement ductile à la traction et une résistance mécanique limitée par celle de l’insert en cuivre.Ce travail a permis d’identifier les solutions concrètes permettant de répondre aux besoins industriels de production des assemblages dissimilaires titane-inox en petite série, et mis en lumière les difficultés de production liées à la reproductibilité des microstructures et à la qualité de la préparation des pièces à assembler