Étude des performances mécaniques et de la résistance à la corrosion des joints soudés laser entre alliages Ti6A14V et AA7075 avec couches intermédiaires d'argent et de cuivre pour des applications aérospatiales

Iltaf, Asim (2025). Étude des performances mécaniques et de la résistance à la corrosion des joints soudés laser entre alliages Ti6A14V et AA7075 avec couches intermédiaires d'argent et de cuivre pour des applications aérospatiales. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 252 p.

PDF Télécharger (25MB) | Prévisualisation

Résumé

RÉSUMÉ : Dans les applications d’ingénierie avancées, notamment dans les secteurs aérospatial et automobile, la demande pour des structures légères offrant de hautes performances mécaniques a conduit à l’intégration d’alliages métalliques dissemblables. L’assemblage de matériaux tels que l’aluminium et le titane permet de tirer parti de leurs propriétés respectives : la faible densité de l’aluminium et la résistance élevée ainsi que la résistance à la corrosion du titane. Toutefois, l’assemblage de ces alliages dissemblables pose d’importants défis métallurgiques, principalement en raison de la formation de composés intermétalliques (IMC) fragiles à l’interface, ce qui dégrade l’intégrité des joints. Pour relever ces défis, l’utilisation de matériaux intercalaires insérés entre les alliages de base lors du soudage a été proposée comme stratégie efficace. Les intercalaires peuvent modifier le chemin de solidification et la diffusion élémentaire à travers l’interface, contrôlant ainsi la formation et la morphologie des IMC. Le choix d’un intercalaire approprié est crucial ; il doit non seulement agir comme une barrière de diffusion, mais aussi améliorer la compatibilité mécanique et chimique entre les métaux de base. Dans ce contexte, l’argent (Ag) et le cuivre (Cu), tous deux connus pour leur haute conductivité thermique et électrique, sont des candidats potentiels. Leurs interactions métallurgiques avec l’aluminium et le titane sont différentes, offrant ainsi des voies distinctes pour optimiser la microstructure et les propriétés des joints. De plus, le soudage laser, grâce à sa haute précision et son apport d’énergie localisé, s’est imposé comme une technique prometteuse pour ces applications. La présente recherche se concentre sur le soudage laser de l’alliage d’aluminium AA7075 et de l’alliage de titane Ti6Al4V en utilisant des intercalaires en Ag et en Cu commercialement disponibles (pureté de 99,9 %, fournis par McMaster-Carr). Les deux intercalaires ont été appliqués sous forme de feuilles minces (380 µm), et les paramètres de soudage ont été optimisés pour tenir compte des différences de conductivité thermique et de comportement à la fusion. L’étude vise à évaluer et comparer les effets de ces intercalaires sur la microstructure du joint, sa performance mécanique, sa résistance à la corrosion et son comportement au fluage à l’échelle nanométrique. La microscopie optique et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont été utilisées pour examiner la morphologie des grains et la distribution des phases. Des tests de microdureté et de nanoindentation ont permis d’analyser les gradients mécaniques dans les soudures, tandis que le comportement au fluage à l’échelle nanométrique a été évalué par des essais de fluage par nanoindentation à profondeur contrôlée. La résistance à la corrosion a été analysée par spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), polarisation cyclique et tests potentiodynamiques. Des différences significatives ont été observées quant à l’effet des intercalaires Ag et Cu sur les caractéristiques des joints. L’intercalaire en Ag s’est révélé particulièrement efficace pour supprimer la formation de composés intermétalliques fragiles du type Al3Ti et TiAl3 dans la zone fondue (zone de fusion formée par le soudage). Cela a contribué à une microstructure plus homogène et plus fine, améliorant la stabilité mécanique. En revanche, l’intercalaire en Cu a réduit les interactions aluminium–titane, mais a favorisé la formation d’IMC à base de cuivre, tels que Cu3Ti2. Bien que cela ait renforcé la résistance mécanique locale, cela a également introduit une certaine fragilité localisée. Sur le plan des performances mécaniques, les joints avec intercalaire Ag ont présenté des valeurs de microdureté plus élevées dans la zone fondue que ceux avec intercalaire Cu. La dureté la plus élevée a été enregistrée dans la zone affectée thermiquement (ZAT) du Ti6Al4V, où la formation de phase martensitique α' a été observée, contribuant à une augmentation de la résistance. Pour les joints avec intercalaire Cu, l’interface entre le cuivre et le Ti6Al4V a montré une dureté et un module d’élasticité élevés, indiquant une bonne liaison mécanique, bien que la zone fondue ait présenté une dureté inférieure à celle du joint avec Ag. La résistance au fluage à l’échelle nanométrique a également mis en évidence une meilleure performance du joint avec intercalaire Ag. Celui-ci a montré une résistance supérieure au fluage dans la zone fondue, probablement en raison de sa capacité à supprimer les IMC fragiles et à influencer la diffusion élémentaire. Les mécanismes de fluage variaient selon les régions : le fluage par ascension des dislocations dominait dans le Ti6Al4V, tandis que le fluage par diffusion était plus marqué dans l’AA7075. L’intercalaire Ag semblait faciliter un gradient de diffusion plus favorable, menant à un meilleur contrôle de la déformation par fluage. En comparaison, l’intercalaire Cu montrait une résistance inférieure au fluage dans la zone fondue. Concernant le comportement à la corrosion, les joints avec intercalaire Ag ont démontré une meilleure résistance dans une solution de NaCl à 3,5 %, attribuée à une microstructure affinée et à la réduction des interactions galvaniques. À l’inverse, bien que le joint avec intercalaire Cu soit toujours plus performant qu’un assemblage direct aluminium–titane, son efficacité restait inférieure en raison de la présence d’IMC riches en Cu (Cu3Ti2), susceptibles d’agir comme sites d’initiation de la corrosion localisée. Ces résultats contribuent au développement de joints plus fiables et durables pour des applications structurelles à haute performance. De plus, cette étude approfondie met en évidence les effets bénéfiques de l’utilisation d’intercalaires dans le soudage laser d’alliages dissemblables. -- Mot(s) clé(s) en français : Soudage laser dissemblable ; Intercalaire en cuivre et en argent ; Optimisation des paramètres de soudage laser ; Évolution microstructurale de la zone fondue ; Composés intermétalliques ; Performance mécanique des assemblages dissemblables ; Analyse du fluage à l’échelle nanométrique ; Résistance à la corrosion des joints. --
ABSTRACT : In advanced engineering applications particularly in the aerospace and automotive sectors the demand for lightweight structures with high mechanical performance has driven the integration of dissimilar metal alloys. Joining materials like aluminum and titanium can leverage their individual strengths: aluminum’s low density and titanium’s high strength and corrosion resistance. However, joining these dissimilar alloys presents significant metallurgical challenges, particularly due to the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs) at the interface, which degrade joint integrity. To address these challenges, the use of interlayers materials inserted between the base alloys during welding has been proposed as an effective strategy. Interlayers can modify the solidification path and elemental diffusion across the interface, thus controlling the formation and morphology of IMCs. Selecting an appropriate interlayer is critical; it should not only act as a diffusion barrier but also improve mechanical and chemical compatibility between the base metals. In this context, silver (Ag) and copper (Cu) both known for their high thermal and electrical conductivity are potential candidates. Their metallurgical interactions with both aluminum and titanium are distinct, offering different pathways for optimizing the joint microstructure and properties. Additionally, laser welding, with its high precision and localized energy input, has emerged as a promising technique for such applications. The present research focuses on laser welding of AA7075 aluminium alloy and Ti6Al4V titanium alloy using commercially available Ag and Cu interlayers (99.9% pure, sourced from McMaster). Both interlayers were applied as thin foils (380 µm), and welding parameters were optimized to accommodate differences in thermal conductivity and melting behavior. The study aims to assess and compare the effects of these interlayers on the joint’s microstructure, mechanical performance, corrosion resistance, and nanoscale creep behavior. Optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) were employed to examine grain morphology and phase distribution. Microhardness and nanoindentation tests provided insights into mechanical gradients across the welds, while nanoscale creep behavior was evaluated using depth-controlled nanoindentation creep tests. Corrosion resistance was analyzed using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic polarization, and potentiodynamic tests. Significant differences were observed in how Ag and Cu affected the joint characteristics. The Ag interlayer was particularly effective in suppressing the formation of brittle titanium–aluminum IMCs such as Al3Ti and TiAl₃ in the fusion zone (melt zone formed welding). This contributed to a more homogeneous and refined microstructure, improving mechanical stability. In contrast, the Cu interlayer reduced aluminum–titanium interactions but promoted the formation of copper-based IMCs, such as Cu3Ti2. While this enhanced local mechanical strength, it also introduced some localized brittleness. From a mechanical performance, the Ag-interlayered joints exhibited higher microhardness values in the fusion zone compared to those with Cu. The highest hardness overall was recorded in the Ti6Al4V HAZ (zone affected by heat near the fusion zone), where martensitic α' phase formation was observed, contributing to increased strength. For joints using Cu, the interface between Cu interlayer and Ti6Al4V displayed high hardness and elastic modulus, indicating good mechanical bonding, though the fusion zone showed relatively lower hardness compared to its Ag counterpart. Creep resistance at the nanoscale further distinguished the performance of the two interlayers. The Ag interlayer showed superior creep resistance in the fusion zone, likely due to its suppression of brittle IMCs and its influence on elemental diffusion. Creep mechanisms varied across regions: dislocation climb dominated in Ti6Al4V, while diffusion-based creep was more pronounced in AA7075. The Ag interlayer appeared to facilitate a more favorable diffusion gradient, leading to better control over creep deformation. The Cu interlayer, while showed inferior resistance in the fusion zone compared to Ag interlayer joint. In terms of corrosion behavior, joints with Ag interlayer demonstrated greater resistance in 3.5% NaCl solution, attributed to the refined microstructure and reduced galvanic interactions. On the other hand, Cu interlayer joint, though still beneficial compared to direct aluminum–titanium welding, was less effective due to the presence of Cu-rich IMCs (Cu3Ti2), which can act as localized corrosion initiation sites. These findings contribute to the development of more reliable and durable joints in high-performance structural applications. Additionally, this comprehensive study provides the beneficial effects of the use of interlayers in laser welding of dissimilar alloys. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Dissimilar laser welding; Copper and silver interlayer; Laser welding parameters optimization; microstructure evolution of FZ; Intermetallic compounds; Mechanical performance of dissimilar weldments; Nanocreep analysis of joints; Corrosion resistance of joints.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Barka, Noureddine
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en ingénierie (3737) en vue de l'obtention du grade de Philosophiae doctor (Ph. D.).
Mots-clés :	Soudage laser; Métaux - Propriétés mécaniques; Corrosion; Aluminium - Alliages; Titane - Alliages; Argent; Cuivre; Composés intermétalliques; Métaux - Fluage - Analyse; Aérospatiale (Ingénierie); Ti6A14V; Aa7075; Imc.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Date de dépôt :	09 oct. 2025 18:27
Dernière modification :	09 oct. 2025 18:27
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3331