Le but de ce travail de thèse est de mieux comprendre les mécanismes de déformation à température ambiante dans les alliages de titane bêta-métastable Ti17 et Ti5553. Les microstructures étudiées sont composées de grains bêta transformé, dans lesquels la phase alpha peut précipiter, selon les relations de Burgers, sous la forme de douze variants différents. Une approche multi-échelles est donc préconisée avec trois niveaux représentatifs: macroscopique, mésoscopique (ex-grains bêta), et microscopique (variants alpha et matrice bêta de chaque grain). Différents modèles à champs moyens sont adaptés pour reproduire le comportement mécanique du Ti17 et du Ti5553. Ces modèles impliquent deux transitions d'échelle, et sont basés sur l'homogénéisation des comportements locaux, avec plusieurs manières de représenter les interactions intergranulaires. Les relations entre microstructures et propriétés mécaniques sont également considérées. Les modèles les plus complexes développés dans cette étude vont permettre de simuler l'anisotropie élastique et l'écoulement visqueux de chaque variant alpha (hcp) et de chaque matrice bêta (bcc), en employant la plasticité cristalline avec des écrouissages de type cinématique et isotrope. L'identification des paramètres matériaux est faite à partir d'une vaste base de données expérimentale provenant du projet PROMITI. Pour comprendre le rôle de chaque phase dans le processus de déformation, un calcul EF a également été fait afin de reproduire l'essai de traction sur une très fine éprouvette plate. Dans cette étude, le niveau mésoscopique est explicitement représenté en reprenant fidèlement la géométrie et l'orientation cristallographique de chaque grain bêta transformé. Des comparaisons entre expérience et simulation sont faites à l'échelle macroscopique pour les courbes contrainte - déformation, ainsi qu'au niveau mésoscopique, en considérant les champs de déplacement hors-plan et les champs de déformation. / The purpose of this PhD work is to investigate deformation mechanisms at room temperature in beta-metastable titanium alloys Ti17 and Ti5553. Studied microstructures are composed of beta-grains, in which alpha phase can precipitate under twelve different variants according to Burgers relationship. A multiscale approach is then proposed with three levels to consider: macroscopic, mesoscopic (prior beta grains) and microscopic (alpha variants and beta matrix of each grain). Different mean field models are adapted to depict Ti17 and Ti5553 mechanical behaviors. These models are based on the two scale-transition homogenization of local behaviors, with various ways of representing intergranular interactions. Relationships between microstructures and mechanical properties are also considered. The most advanced micromechanical models developed in this work depict elastic anisotropy and viscoplastic flow of each hcp alpha variant and each bcc beta matrix, using crystal plasticity with kinematic and isotropic hardening. Identification of material parameters is done using a large experimental database from PROMITI project. To understand the role of each phase in the deformation process, a FE computation was also made to reproduce the uniaxial tensile test of a very thick micro-specimen. In this study, the mesoscopic scale is explicitly represented: each beta grain has a real geometry and crystallographic orientation, according to a measured EBSD map in SEM. Comparisons between experiment and the numerical simulation are made on macroscopic stress - strain curves as well as on the mesoscopic scale, by considering out-of-plane displacement and strain fields.

La présente thèse s’inscrit dans un contexte d’optimisation des procédés de forgeage et de traitements thermiques des alliages de titane pour les pièces de moteurs Snecma.Les sociétés TIMET, élaborateur, et SNECMA, motoriste, ont identifié des enjeux très analogues concernant le forgeage des billettes en alliage de titane destinées à la fabrication de disques moteurs. Il est nécessaire d'acquérir une maîtrise complète de la gamme de transformation, de la coulée au produit final. Ce traitement thermomécanique comporte une alternance d’étapes de forgeage dans les domaines bêta, à haute température, et alpha + bêta, à basse température.L’objectif est de déterminer expérimentalement et de modéliser le comportement mécanique ainsi que les évolutions de microstructure de l’alliage Ti17 au cours d'une déformation dans le domaine alpha + bêta suivie d’un maintien en bêta.En amont, ces travaux mènent à une meilleure compréhension des facteurs qui influencent la taille de grain dans le domaine bêta : la taille de grain bêta initiale, les orientations des aiguilles alpha dans le grain, la déformation et la désorientation subies lors du forgeage en alpha + bêta, etc.En ce qui concerne les applications, ils s’intègrent à un post-processeur métallurgique dédié au forgeage des alliages de titane, qui utilise les histoires thermomécaniques issues d’un calcul par éléments finis. / The thesis is part of a broader optimization program related to the forging and the heat treatments of SNECMA-engine components in titanium alloys.TIMET (producer) and SNECMA (engine manufacturer) companies have identified very similar issues concerning the forging of billets in titanium alloy for manufacturing engine discs. They need thus to gain complete control over the transformation range, from the casting to the final product. This thermomechanical treatment involves alternating forging steps in the beta domain, at high temperature, and in the alpha + beta field, at lower temperatures.The aim is to simulate the forging step in the two-phase, alpha + beta, range followed by recrystallization in the beta field during which microstructure evolves. This simulation involves the following phenomena: grain deformation, recrystallization and grain growth of the beta matrix and disorientation/fragmentation of the alpha-Widmanstätten platelets. More specifically, the effects of deformation in the alpha + beta field on the subsequent beta-grain growth during the heat treatment at higher temperatures have been analyzed in the case of Ti17 titanium alloy.Upstream, the work leads to a better understanding of the factors that influence grain size in the beta domain: the initial beta-grain size, the orientation of alpha needles in the grains, the distortion and disorientation experienced during the alpha + beta forging, etc. With regard to the applications, the above results will be implemented into a metallurgical post-processor dedicated to the forging process of titanium alloys, using the thermomechanical history resulting from a finite-element calculation.

Le développement de matériaux conventionnels met l'accent sur l’affinement etl'homogénéisation des tailles de grains. Cela, ne satisfait généralement pas le besoin d’avoir desmatériaux à la fois résistants et ductiles, deux caractéristiques plutôt antagonistes. Dans laprésente étude, le concept de structure harmonique (HS) permettant de créer une microstructure,hétérogène, à gradient de taille des grains est utilisé pour surmonter cette antinomie. Lesmatériaux HS sont constitués de structures à grains ultrafins et à gros grains, appelées «coquille»et «coeur», respectivement. Le réseau de coquilles étant interconnecté en 3D. Dans cette étude, leTi pur, et les deux alliages Ti-6Al-4V et Ti-25Nb-25Zr sont traités de manière à produire desmatériaux HS. Leurs propriétés mécaniques, ainsi que celles des matériaux homogènes(conventionnels) correspondants ont été évaluées principalement en cisaillement simple(monotone et cyclique). En particulier, les matériaux HS démontrent comme attendu, une forterésistance mécanique, sans perte ductilité. Pour accéder aux mécanismes de durcissement, unmodèle de partition des contraintes est appliqué et les différentes contributions à la contraintemacroscopique ont été extraites et leur influence sur l'évolution du durcissement est présentée etdiscutée, en relation avec les mécanismes de déformation sous-jacents. En particulier, ladélocalisation de la déformation plastique due au gradient de microstructure et la périodicité decette dernière joue un rôle fondamental dans les comportements observés. / Conventional material developments have emphasized ultrafine grain refinement andhomogenization. However, nanostructured and homogeneous materials do not usually satisfy theneed to be both strong and ductile, which are, of course, rather contradictory characteristics. Inthe framework of this study, the concept of Harmonic Structure Materials Design (HS) thatcreates a nanostructured and heterogeneous microstructure has been used as a means to creatematerials to overcome that antinomy through its unique microstructure. The HS materials consistof ultra-fine grain and coarse grain structures known as shell and core, respectively. They have anetwork structure of continuously connected shells. In this study, pure Ti, Ti-6Al-4V and Ti-25Nb-25Zr alloys were processed so as to produce HS materials. The mechanical properties ofHS and homogeneous (conventional) counterpart materials were evaluated mainly throughsimple shear tests (monotonous and cyclic). In particular, the HS materials high strengths,without ductility lost under simple shear loadings. Stress partitioning model was applied and thedifferent contributions to the applied macroscopic stress were extracted and their influence onthe work hardening evolution presented and discussed, in relation to the underlying deformationmechanisms. In particular, the delocalization of plastic deformation due to the grain size gradientplays a fundamental role in the observed behavior.

Les alliages de titane β métastables sont des matériaux de structure essentiels pour les applications aéronautiques de part leurs très bonnes propriétés mécaniques. En effet, ils présentent une résistance spécifique élevée, une bonne ductilité et forgeabilité et une excellente réponse aux traitements thermiques. Toutefois, il existe encore aujourd'hui à leur sujet des controverses et des questions ouvertes et ce, malgré les efforts pour comprendre les mécanismes d'évolution microstructurale au cours de traitements thermo-mécaniques et pour déterminer les phases en présence et leur contribution aux les propriétés mécaniques résultantes. Ce travail de thèse a pour objectif de déterminer la nature de la phase β et de caractériser la transformation β→α à haute et basse températures par des caractérisations fines en microscopie électronique à balayage et à transmission couplées à des mesures d'orientations cristallographiques et de composition chimique. L'alliage étudié est un Ti-5553 avec une microstructure initiale 100% β obtenue par mise en solution et trempe. Il a été démontré expérimentalement que la structure de la phase β métastable n'est pas purement cubique centrée. Les points de la phase β dans les clichés de diffraction présentent un allongement (streaking) et des points supplémentaires sont visibles aux positions de diffraction 1/2, 1/3 et 2/3. Par ailleurs, les images MET ont un aspect en moiré. A partir de ces résultats et de calculs crystallographiques, il a été prouvé que des déplacements atomiques sur les plans {110}β et {112}β forment une structure intermédiaire entre celle de la phase β parente et celles des phases α et ω, prouvant que la phase β a intrinsèquement initié une transformation. L'étude de la précipitation au cours du procédé thermomécanique dans le domaine α+β a révélé que des précipités α discontinus, équiaxes ou légèrement allongés (1~2μm) se forment aux joints β de forte et de faible désorientation mais rarement au coeur des grains β produisant ainsi une microstructure en "collier". La relation d'orientation de Burgers (ROB) entre les phases α et β est progressivement détruite par la déformation. L'écart à la ROB est plus marqué pour les précipités α qui se forment au joint de grains qu'à l'intérieur des grains. L'écart à la ROB augmente aussi avec la déformation, mais diminue avec la vitesse de déformation. Au cours des déformations en bas du domaine α+β, les précipités α ont une morphologie qui dépend de leur position. Au coeur des bandes de glissement, les grains α/β sont équiaxes et ne respectent pas la ROB. Entre les bandes de glissement, la microstructure est lamellaire où les phases α/β alternent et respectent la ROB. Dans ce dernier cas, une forte sélection de variantes a été observée: Seuls les deux ou trois variants favorisant l'accommodation de la déformation se sont formés. A titre de comparaison, dans l'état non déformé, les 12 précipités sont présents. La transformation β→α est retardée en cours de compression à haute température. Ceci est attribué à une compétition entre adoucissement et transformation de phase. Au contraire, celle-ci est favorisée au cours de la compression à plus basse température du fait que les défauts cristallins induits par la déformation jouent le role de sites de germination et que la croissance des précipités soit accéléré alors que l'adoucissement soit ralenti. Dans le Ti-5553, le mécanisme de déformation dominant est le glissement des dislocations. Dans les déformations en bas du domaine α+β, du glissement simple ou multiple avec deux ou trois systèmes de glissement activés. L'identification de ces systèmes a pu être effectuée par des analyses de traces. Cette thèse a résolu la nature de la phase β métastable et constitue un travail de référence pour l'étude de la transformation β→α au cours de traitement thermomécanique / Metastable β titanium alloys are important structural materials for aeronautical applications due to their high strength to density ratio, good ductility and workability and excellent hardenability. Despite the efforts in resolving the complex microstructural evolution related to thermomechanical processes and in gaining knowledge on the produced phases and their contribution to the resultant mechanical properties, there are still some controversial and unresolved issues. The aim of the present PhD work is to determine precisely the metastable nature of β phase and to characterize finely the characteristics of the β→α transformation during high and low temperature thermomechanical treatments. Investigations were performed on a Ti-5553 alloy with the single β phase initial microstructure obtained by solution treatment followed by quenching using scanning and transmission electron microscopy (SEM/TEM) coupled to crystallographic orientation measurements and chemical analyses. It was demonstrated experimentally that the structure of the β phase in the metastable titanium alloy is not “pure” body centered cubic. Diffraction diagrams presents streaking of the β diffraction spots and additional spots at the 1/2, the 1/3 and 2/3 diffraction positions. Also, striations are observed in TEM images. From this experimental evidence and crystallographic calculations, it was proved that atomic displacements on the {110}β and {112}β planes formed a structure between that of the parent β phase and that of the α or ω phase, demonstrating pre-phase transformation tendency. The study of the precipitation during thermomechanical processing at higher temperature in the α+β region revealed that discontinuous equiaxed or short rod shaped α precipitates (1~2μm) mainly form on the high angle and low angle β grain boundaries but seldom in β grain interiors, forming the “necklace” microstructure. The Burgers orientation relationship (BOR) between the α and β phases is destroyed gradually by the deformation. The BOR deviation of grain boundary α is larger than that of intragranular α. The deviation from the BOR increases both with the increasing strain and decreasing strain rate. During the deformation at the lower temperature in the α+β region, the α precipitates exhibit different morphologies: such as lamellar α, equiaxed α and irregular α depending on their localization. Within the slip bands, equiaxed α/β grains which do not respect the BOR are present. However, between the bands, lamellar α and β phases maintaining the BOR are distributed alternately. In that last case a strong variant selection is observed as only the two or three variants that form are those which can accommodate the macroscopic deformation. Comparatively, in absence of compression all 12 variants are formed. The β→α phase transformation is retarded during the hot compression at higher temperature region, which is attributed to the competition between softening and phase transformation. On the contrary, it is promoted during compression at lower temperature region due to the more inducted deformation defects acting as α phase nucleation sites and due to accelerating growth of α precipitates and retarded softening. Dislocation slip is the leading deformation mechanism for the Ti-5553 alloy. Under the lower temperature deformation condition, single or multiple-slip bands with two or three different activated slip systems would form during the hot deformation process. Identification of these slip systems have been done by trace analysis. These results provide new insights into the structural nature of β metastable phase and valuable reference for β→α phase transformation during thermo-mechanical treatment in metastable β titanium alloys

L’apparition d’inclusions exogènes demeure un problème majeur pour les élaborateurs de titane. Afin d’améliorer la propreté inclusionnaire des lingots élaborés par le procédé de refusion à l’arc sous vide (Vacuum Arc Remelting), une étude numérique et expérimentale a été réalisée. La partie numérique de la thèse consiste à modéliser le comportement d’un défaut hard-α provenant de l’électrode consommable et tombant dans le puits liquide du lingot. Un modèle décrivant le processus de dissolution prédit l’évolution de la taille d’une inclusion durant son séjour dans le puits liquide. La trajectoire est déterminée à l’aide d’un modèle lagrangien tenant compte de la turbulence de l’écoulement en modifiant le coefficient de trainée. Les deux modèles ont été couplés et implémentés dans le logiciel SOLAR, qui simule la croissance d’un lingot VAR.Les résultats mettent en évidence la difficulté d’éliminer une inclusion hard-α avec une seule refusion, principalement à cause de la croissance d’une couche de phase β pendant les premiers moments de l’immersion. Le comportement global du défaut dépend fortement de l’hydrodynamique du puits et des caractéristiques de l’inclusion.Pour étudier la dissolution expérimentalement, des défautssynthétiques (hard-α et HDI) ont été immergés dans un bain de titane liquide chauffé dans un four à bombardement électronique. Les vitesses de dissolution ont été déterminées en mesurant les dimensions des défauts avant et après les expériences et ont été ensuite utilisées pour valider les modèles numériques. Par ailleurs, nous avons mis en évidence la grande influence de la température et de la vitesse de l’écoulement sur les cinétiques de dissolution / The presence of exogeneous inclusions has always been a major concern for the titanium industry. To help improve the inclusional cleanliness of VAR (Vacuum Arc Remelting) titanium ingots, a numerical and experimental study was undertaken.The numerical model is capable of predicting the motion and dissolution of a hard-α defect falling from the electrode tip into the ingot melt pool during vacuum arc remelting. It is implemented in SOLAR, a CFD code that simulates the ingot growth and solidification. The dissolution of the inclusion is governed by nitrogen diffusion from the defect towards the surrounding molten metal. A model describing this phenomenon predicts the particle size evolution and the nitrogen profile at each moment. The motion of the spherical particle is tracked using a Lagrangian model and the influence of turbulence is accounted for by a modification of the drag coefficient.Results show that inclusion removal is difficult with a single melt since the growth of a β-phase layer leads to an initial increase in the defect size. The inclusion behaviour is highly dependent on the pool hydrodynamics and on inclusion characteristics.In order to clarify dissolution aspects of these defects and to measure their dissolution kinetics, synthetically processed defects were introduced into molten titanium heated in an electron beam melting furnace. Dissolution rates were calculated by measuring the size of the defects before and after the experiments and the results were used to validate the numerical models. Furthermore, the experiments show that dissolution kinetics highly depend on fluid motion and temperature

Dans ce travail de thèse, la texturation de surface d‟alliages de titane a été étudiée en utilisant un procédé d'écriture directe par laser femtoseconde dans le but d'améliorer la mouillabilité d‟implants dentaires et orthopédiques par les fluides biologiques et la minéralisation de la matrice (formation osseuse) tout en réduisant l'adhésion bactérienne et la formation de biofilmes. Des surfaces de titane (Ti-6Al-4Vet cp Ti) ont été micro-, nano-texturées par laser femtoseconde et une biofonctionnalisation de ces surfaces a été ajoutée ou non par greffage de peptides d'adhésion cellulaire (peptides RGD) en surface de ces différents matériaux. Les textures de surface peuvent être classées comme suit: (a) structures périodiques de surface induites par laser (LIPSS); (b) étalage de nanopiliers (NP); (c) étalage de micro colonnes recouvertes de LIPSS (MC-LIPSS) formant une distribution bimodale de rugosité. Nous avons montré que la texturation de surface par laser améliore la mouillabilité des surfaces avec de l'eau ainsi qu‟une solution saline tamponnée Hank's (HBSS) et amène une anisotropie de mouillage. Une minéralisation cellulaire est observée pour toutes les surfaces des deux alliages de titane lorsque des Cellules Souches Mésenchymateuses humaines (hMSC) sont cultivées dans un milieu ostéogénique. La minéralisation de la matrice et la formation de nodules osseux sont considérablement améliorées sur les surfaces texturées LIPSS et NP. Parallèlement,l'adhésion de Staphylococcus aureus et la formation de biofilmes sont considérablement réduites pour les surfaces texturées LIPSS et NP. La biofonctionnalisation des différentes surfaces texturées (cp Ti) par laser a été réalisée et caractérisée par spectroscopie de photoélectrons (XPS) et par microscopie à fluorescence en utilisant des peptides fluorescents. L‟ensemble des résultats obtenus suggèrent que la texturation de surface d'alliages de titane (Ti-6Al-4V et cp Ti) en utilisant une technique d‟écriture directe par laser femtoseconde est un procédé prometteur pour l'amélioration de la mouillabilité de la surface d'implants dentaires et orthopédiques par les fluides biologiques et leur ostéointégration (différenciation ostéoblastique et minéralisation de la matrice), tout en réduisant l‟adhésion de Staphylococcus aureus et la formation de biofilmes. Enfin, la combinaison de la texturation par laser et du greffage covalent d‟un principe actif (ici un peptide d‟adhésion cellulaire comme le peptide RGD) amènera indéniablement une bioactivité utile pour favoriser l'adhésion des hMSC et faciliter laformation osseuse. / In the present thesis the surface texturing of Ti alloys using femtosecond laser direct writing method is explored as a potential technique to enhance the wettability of dental and orthopaedic implants by biological fluids and matrix mineralisation (bone formation), while reducing bacteria adhesion and biofilmformation. The surface texture was combined with biofunctionalisation by covalent grafting of a RGD peptide sequence as well. The surface textures can be classified as follows: (a) Laser-Induced Periodic Surface Structures-LIPSS; (b) nanopillars arrays(NP); (c) arrays of microcolumns covered with LIPSS (MC-LIPSS), forming a bimodal roughness distribution. Laser texturing enhances surface wettability by water andHank‟s balanced salt solution (HBSS) and introduces wetting anisotropy, crucial incontrolling the wetting behaviour. Matrix mineralisation is observed for all surfaces of both Ti alloys when human mesenchymal stem cells (hMSCs) are cultured in osteogenic medium. Matrix mineralisation and formation of bone-like nodules are significantly enhanced on LIPSS and NP textured surfaces. On the contrary, Staphylococcus aureusadhesion and biofilm formation are significantly reduced for LIPSS and NP textured surfaces. The biofunctionalisation of the laser textured surfaces of cp Ti is sucessfully achieved. In general, these results suggest that surface texturing of Ti alloys using femtosecond laser direct writing is a promising method for enhancing surface wettability of dental and orthopaedic implants by biological fluids and their osseointegration (osteoblastic differentiation and matrix mineralisation), while reducing Staphylococcus aureus adhesion and biofilm formation. Finally, the combination of laser texturing and covalent grafting of a RGD peptide sequence may be potentially useful for increasing cell adhesion and facilitating bone formation.