Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Ce document rassemble les données fondamentales pour l’utilisation d’alliages à base de TiAl, qui comprend leurs caractéristiques propres, les différentes compositions, les microstructures rencontrées et les procédés d’élaboration et de transformation. Suite à la description d’un certain nombre de facteurs limitatifs pour l’obtention de propriétés reproductibles, un ensemble de propriétés d’usage est passé en revue. Le document se termine par les enjeux économiques et les domaines d’application.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Marc THOMAS : Docteur ingénieur à l’ONERA - Chef de projet au Département Matériaux et Structures Métalliques (DMSM)
INTRODUCTION
L’émergence des alliages intermétalliques à base de TiAl trouve son origine à la fois dans la forte attractivité de ce nouveau matériau aux propriétés uniques et dans le contexte économique et industriel de réduction des coûts. Un certain nombre de facteurs (réduction de masse, baisse de consommation de carburant, coûts de maintenance, nuisances environnementales) liés à la performance des turbomachines, justifie le fait que les constructeurs aéronautiques soient en quête de matériaux légers, mais capables de supporter des températures de fonctionnement toujours plus hautes pour un gain en puissance. Les critères de choix pour ces nouveaux matériaux sont d’une part l’évolution de la température d’entrée de turbine et d’autre part l’évolution du rapport poussée/masse.
Un petit regard en arrière permet de se souvenir qu’à l’aube des années quatre-vingt, les progrès les plus significatifs que l’on pouvait espérer au niveau des alliages de titane conventionnels résidaient dans une optimisation incrémentale des procédés de transformation d’alliages existants. L’horizon était bouché avec ces alliages, en particulier en raison des problèmes liés à l’oxydation au-delà de 600 °C qui limitaient la température d’utilisation. Dans le même temps, TiAl affichait des propriétés physiques intéressantes par rapport au titane en terme de rigidité spécifique et de résistance au feu. De plus, ses propriétés statiques et cycliques s’avéraient potentiellement au moins équivalentes à celles des superalliages base nickel. Le développement de ces nouveaux intermétalliques ordonnés fut considéré comme très prometteur avec une capacité en température escomptée jusqu’à 850 °C. Les matériaux à base de Ti3Al ont été les premiers à être étudiés dans les années quatre-vingt, mais ils se sont avérés trop limités en résistance à l’oxydation et à la tenue au fluage. Des recherches puis le développement sur les alliages à base de TiAl débutèrent à partir du début des années quatre-vingt-dix.
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VERSIONS
- Version courante de juin 2020 par Marc THOMAS
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Élaboration et transformation2. Choix des nuances
2.1 Limitations du composé binaire TiAl
Une légère sous-stoechiométrie (52-48 % at.) est favorable pour l’obtention d’une structure duplex ou lamellaire, garantissant une meilleure ductilité. Plusieurs facteurs sont à l’origine de cet effet bénéfique : l’affinement microstructural, la diminution de la nature covalente des liaisons atomiques, le piégeage des impuretés interstitielles par la phase α2 en raison de leur grande solubilité dans cette phase, évitant ainsi à ces éléments de ségréger sous forme d’oxydes dans la phase γ. Néanmoins, le composé binaire Ti-48Al reste assez limité en possibilités de durcissement et sa tenue à l’oxydation peut encore être améliorée par l’ajout d’éléments d’addition. L’extension du domaine d’utilisation vers 850 °C voire 900 °C avec l’ajout de certains éléments d’addition permet de multiplier les applications potentielles du TiAl.
HAUT DE PAGE2.2 Avantage des éléments “majeurs”
Des efforts de développement importants ont porté sur des alliages à la fois sous-stoechiométriques en aluminium (46-48 % at.) et légèrement dopés en éléments réfractaires. L’intérêt était d’introduire un multiphasage (α + γ + β) pour renforcer la résistance mécanique et accroître la tenue au fluage, sans préjudice pour la ductilité à froid, grâce à une meilleure accommodation de la déformation. En fonction de leur caractère β-gène (W, Fe), γ-gène (Cr, Mo) ou α-gène (Nb, Mn, Ta), les additions de ces éléments “majeurs” conditionnent l’appartenance à la classe des solidifiés α ou des solidifiés β.
Ensuite, les éléments d’addition (V, Cr, Mn, Nb, Ta, Zr, W, Mo, Fe...) peuvent entraîner des variations microstructurales importantes selon qu’ils stabilisent l’une ou l’autre des formes allotropiques α ou γ (caractère α- ou γ-phile). En fonction de leur tendance à se substituer à l’aluminium, ou au titane dans la phase γ majoritaire, ils contribuent à déplacer la ligne de transformation α2 + γ/γ, et donc à modifier les proportions de grains lamellaires et...
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BIBLIOGRAPHIE
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