Study of the sensitivity to hydrogen embrittlement of two titanium alloys, T40 and TA6V ELI, under cathodic polarization in seawater by a local approach to fracture

This study aims at understanding the hydrogen absorption mechanisms in titanium under cathodic polarization in seawater and then to provide risk assessments for engineers. The single-phase T40 and the two-phase TA6V ELI alloys were employed to study the influence of α and β phases as well as their distribution on the hydrogen embrittlement mechanisms. Hydrogen absorption kinetics were studied for several cathodic potentials in artificial seawater, while other electrolytes were used to validate some hypothesis. These kinetics are observed to be similar between the two alloys despite the differences in the absorption mechanisms and the hydrogen concentration at saturation. Then, this work investigates the role of the metallographic structure on the localisation of hydrides. The evolutions of the mechanical properties were studied by tensile tests on various orientations of solicitation, hydrogen concentrations and notches. As a result, these properties are observed to depend on the hydrogen concentration and the hydrides location. Models by finite elements were also used to determine local mechanical criterions of internal damage and fracture in term of hydrostatic stress and equivalent plastic strain. It allowed us to establish an abacus linking the evolutions of the mechanical properties to the hydrogen concentration. Moreover, this work also results in the determination of a maximum threshold of the cathodic potential at -1,1 V/SCE by comparing the laboratory results with those of on-site galvanic coupling by sacrificial anodes in natural seawater.
Les objectifs de cette étude sont de comprendre les mécanismes de pénétration de l’hydrogène dans le titane sous polarisation cathodique en milieu marin et d’en évaluer les risques afin de donner un certain nombre de recommandations pour l’ingénieur. Les alliages T40 monophasé α et TA6V ELI biphasé α/β ont été choisis afin d’interroger l’influence de chacune des phases (α et β) et de leur distribution sur les phénomènes de fragilisation par l’hydrogène. Pour différents potentiels cathodiques, les cinétiques d’absorption de l’hydrogène dans différents milieux et particulièrement en eau de mer artificielle ont été étudiées. Elles sont très comparables entre les deux types d’alliages bien que les mécanismes mis en jeu et les concentrations en hydrogène atteintes pour chacun soient différents. La localisation des hydrures influencée par la structure métallographique des alliages est questionnée. Celle-ci conditionne les évolutions des propriétés mécaniques étudiées au travers d’essais de traction pour différentes orientations de sollicitation, teneurs en hydrogène et rayons d’entaille. La modélisation par éléments finis de chacun des essais permet d’accéder à des critères locaux d’endommagement et de rupture (contrainte hydrostatique versus déformation plastique équivalente). L’ensemble des travaux nous a permis de proposer des abaques reliant les évolutions des propriétés mécaniques à la concentration en hydrogène. D’autre part, une comparaison des résultats des expériences en laboratoire avec ceux des essais par couplage galvanique avec des anodes sacrificielles en eau de mer naturelle nous a permis de valider un seuil de potentiel de couplage galvanique maximal utilisable de -1,1 V/ECS en eau de mer, dans le cadre des conditions d’étude.