Methodology for analyzing residual stresses by X-ray diffraction on a titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al
Méthodologie d'analyse des contraintes résiduelles par diffraction des rayons X sur des pièces d'alliage de titane de nuance Ti-10V-2Fe-3Al
Résumé
The durability of components in titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al, used in components of helicopters such as rotor hubs, relies on the external loading as well as on the residual stress field. These residual stresses can be determined by X-ray diffraction (XRD). However, XRD is only able to evaluate the stresses in one crystallographic phase. Thus, for complex multiphased materials, the macroscopic stress state taken into account in the durability calculations corresponds to a mixture law between the stresses in phases, weighted by their volume fraction. Moreover, in the case of two-phase alloy Ti-10V-2Fe-3Al, results obtained by XRD in the near surface are a priori not satisfactory, because of the diffraction peaks overlapping and fluorescence phenomena. The position of the peaks and their shapes are poorly defined, which creates significant errors in the determination of the stresses. Several instrumental configurations were considered in this study for optimizing the acquisition. Then, interactions between radiations and matter depend on the microstructure. This is why the impact of forging, milling and shot-peening on the microstructure and the full width of the peaks has been studied. The preferred orientations (textures) generated by theses processes were observed. The neutron diffraction analysis complemented the XRD analysis in order to observe a larger volume of material. Finally, the elasticity constants of α and β phases of the alloy were reevaluated, based on these measurements and using self-consistent modelling. In the end, we defined a methodology for analysing the residual stresses by XRD on forged, milled or shot-peened titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al, within an industrial environment, while providing results consistent with models mechanical (fatigue as an example).
La tenue en fatigue des pièces en alliage de titane Ti-10V-2Fe-3Al, utilisé sur les hélicoptères, doit être évaluée. Pour cela, on prend en compte les contraintes appliquées et résiduelles. Ces dernières peuvent être déterminées par diffraction des rayons X (DRX). Mais la DRX permet seulement d'évaluer les pseudo-macrocontrainte dans une phase cristalline. Pour des matériaux polyphasés, l'état de contrainte macroscopique pris en compte dans les calculs des mécaniciens correspond aux états de contrainte dans les phases, pondérés par leur fraction volumique. Mais dans le cas de l'alliage biphasé Ti-10V-2Fe-3Al, la DRX ne donne a priori pas de résultat satisfaisant en proche surface à cause de phénomènes inhérents à la diffraction, comme la fluorescence du matériau étudié ou la superposition des pics de diffraction. La position et la forme du pic sont donc mal définies engendrant ainsi des incertitudes importantes dans la détermination des contraintes. Au cours de l'étude, différentes configurations instrumentales ont été traitées pour d'optimiser l'acquisition. D'autre part, la microstructure du matériau a été analysée car l'interaction rayonnement-matière en dépend. L'impact du forgeage, du fraisage et du grenaillage sur la microstructure et sur les largeurs intégrales des pics a été étudié. Les textures cristallines engendrées ont été observées. Des analyses en diffraction des neutrons ont complété celles en DRX pour observer un plus grand volume de matière. Enfin, les constantes d'élasticité des phases α et β de l'alliage ont été réévaluées à partir des fonctions d'orientation des distributions et à l'aide d'un modèle auto-cohérent. Ceci a permis de mettre en place une méthodologie d'analyse des contraintes résiduelles par DRX adaptée à l'alliage de titane Ti-10V-2Fe-3Al forgé, grenaillé et usiné dans un contexte industriel tout en proposant des résultats compatibles avec les modélisations mécaniques de fatigue par exemple.
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