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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
DS0303 - Matériaux et procédés

Elaboration d'alliages à base de siliciures de niobium par métallurgie des poudres (atomisation et frittage flash) – SYNOPSIS

SYNOPSIS se décompose en trois phases. La première consiste, sur une composition chimique de référence du type Nb-Ti-Cr-Al-Si, à mettre en place une procédure permettant l’élaboration de lingots pré-alliés,les atomiser par gaz inerte et sans creuset sur l’installation de l’ONERA, puis de fritter la poudre obtenue par frittage flash (SPS) sur l’installation PNF2 à Toulouse ainsi que sur l’installation de l’ICB, pour élaborer des matériaux présentant une bonne santé matière (taux de porosité et microstructure contrôlés). Le projet passe ensuite à une étape d’optimisation de la composition chimique de cet alliage, avec l’étude de l’influence des éléments Mo, B et Sn sur les propriétés des alliages élaborés par fusion à arc, la sélection de l’alliage le plus prometteur et la production de poudres. Différentes microstructures générées par frittage flash sont étudiées et celle qui présente le meilleur équilibre entre les principales propriétés d’emploi de ces matériaux (fluage, traction, oxydation) sera retenue. Une étude pour la compréhension fine des mécanismes de plasticité est réalisée. La dernière tâche concerne l’obtention par frittage flash de pièces technologiques de géométries complexes sans défauts métallurgiques et avec la microstructure désirée.

L’analyse de la microstructure dans les barres à atomiser et dans les poudres obtenues montre que la réduction du diamètre (50 mm par rapport à 70 mm) est bénéfique pour réduire la taille des phases siliciures massives (temps de refroidissement court dans une plus grande zone), sans pour autant les éliminer ; leur extension maximale est toutefois limitée à la taille des gouttelettes formées au cours de l’atomisation. Le frittage par SPS des poudres 40-100 µm et 100-200 µm contribue à homogénéiser la microstructure avec un grossissement dans les zones initialement eutectiques. La voie « Poudre » est ainsi avantageuse par rapport à la voie « Fonderie ». Les conditions de frittage ont été établies pour fournir des matériaux denses : elles restent dans la fenêtre des paramètres qui ne sollicitent pas exagérément la machine et assurent une certaine longévité des outillages en graphite (T ~ 1400°C et pression 50~75 MPa). Les matériaux étudiés ne réagissant pas avec le carbone (i.e. aucun collage des alliages avec les outillages en graphite), ce qui a facilité la fabrication de pièces de forme complexe par SPS en évitant l’usage de papyex. L’addition de Mo (2 à 4 % at.), B (2 à 8 % at.) et Sn (1 à 4 % at.) modifie la microstructure des alliages par la nature, la morphologie et la fraction volumique des phases en présence. Pour cette série de matériaux élaborés par fusion à arc avec des caractérisations microstructurale, mécanique et vis-à-vis de la résistance à l’oxydation à 800°C et 1000°C, il a été montré, en particulier, que l’ajout simultané de Mo et Sn améliore les propriétés de l’alliage de référence Nb-Ti-Cr-Al-Si. Ces ajouts contribuent à l’élimination de la phase de type Nb3Si moins résistante mécaniquement que les phases de type Nb5Si3. La ductilité des matériaux de la gamme Nb-Ti-Mo-Cr-Al-Sn-Si reste néanmoins faible et rend l’usinage des éprouvettes délicate, de sorte que la caractérisation mécanique n’a pas pu être menée jusqu’à son terme.

Le nombre annuel de publications sur les matériaux Nb-Si est relativement constant : de nouveaux systèmes d’alliages sont proposés (par exemple avec un renforcement par des carbures ou des nanotubes de carbone), l’influence de certains éléments sur les propriétés microstructurales et mécaniques est approfondie. Mais aucune d’entre elles concernent des développements proches des applications et ne propose des compositions présentant des caractéristiques acceptables pour toutes les propriétés d’emploi. L’intérêt industriel pour cette famille d’alliages semble être retombé. D’autres classes de matériaux, au même stade de développement, voire plus avancés que les Nb-Si, sont plus prometteurs, en particulier les matériaux composites à matrice céramique auto-cicatrisante, dont la masse volumique est deux à trois fois inférieure à celle des Nb-Si est hors d’atteinte pour les matériaux métalliques. Le projet SYNOPSIS, avec les problèmes expérimentaux rencontrés dus en partie à la trop faible ductilité des alliages élaborés, n’a pas été au bout du programme initial et n’a pas réussi à raviver ou maintenir un intérêt des Nb-Si pour des applications exigeantes. Les études à l’initiative de l’ONERA sur ces matériaux vont probablement s’arrêter, mais une veille technologique sera assurée.

Les activités au sein du projet Synopsis ont été présentées lors de six conférences, sur les thèmes (i) évolution des microstructures entre les matériaux massifs à atomiser, les poudres obtenues et les échantillons frittés par SPS et (ii) le comportement en oxydation :
• Étude de la microstructure d’un alliage Nb-Si dans différents états d’élaboration par métallurgie des poudres, V. Malard et al., Colloque PMF 2017 (3-5 mai, Toulouse, FR) ;
• Microstructure investigation of new Nb-Si alloys, V. Malard et al., EUROMAT 2017 (17-22 sept., Thessalonique, GR) ;
• From Pre-Alloyed Rod to Gas-Atomized Powder and SPS Sintered Samples: How the Microstructure of an Nb Silicide Based Alloy Evolves, S. Drawin et al., THERMEC 2018 (9-13 juillet, Paris, FR).
• Étude de l’oxydation à haute température d’alliages Nb-Nb5Si3 élaborés par fusion plasma et par frittage flash, M.-R. Ardigo-Besnard et al., Congrès MATERIAUX 2018 (19-23 nov., Strasbourg, FR).
• Microstructural study of an Nb-Si based alloy through the different steps of a powder metallurgy route, V. Malard et al., MRS Fall Meeting 2018 (25-30 nov., Boston, USA) ;
• Use of the spark plasma sintering potential to develop Nb silicides and TiAl intermetallics, J.P. Monchoux et al. Beyond Nickel-Based Superalloys III (11-14 juin 2019, Nara, Japan).

Résumé de soumission

Les performances des turbines aéronautiques sont l'une des préoccupations principales des constructeurs et constituent un levier de différenciation majeur par rapport à la concurrence. Afin d’améliorer les performances de ces turbines, deux axes sont principalement étudiés, d’après les recommandations du groupe européen ACARE: (i) le développement de matériaux ayant des propriétés améliorées à haute température, et (ii) le développement d’alliages légers pour tous les composants des moteurs.
Le projet SYNOPSIS est dédié au développement de matériaux intermétalliques à base de siliciure de niobium pour une future introduction dans les turbines basse pression (fonctionnement dans la plage 800°C-1000°C), offrant des gains de masse et des propriétés améliorées en température par rapport aux superalliages actuellement utilisés (polycristallins, à solidification dirigée ou monocristallins).
Pour une finalité industrielle de grande actualité pour laquelle des travaux amont ont été lancés depuis plusieurs années et qui nécessite encore des efforts de R & D à moyen/long terme, ce projet fédère trois partenaires hautement qualifiés autour du développement de ces nouveaux alliages réfractaires et l’élaboration de pièces complexes par une voie de métallurgie des poudres (le frittage flash, ou SPS) :
(i) l’organisme de recherche ONERA (Châtillon) pour son savoir-faire dans la conception et la caractérisation d’alliages non conventionnels, leur élaboration et leur transformation en poudres par atomisation par gaz inerte,
(ii) le laboratoire universitaire ICB (Dijon) et
(iii) le laboratoire CNRS CEMES (Toulouse),
ces deux derniers pour leurs compétences complémentaires concernant les matériaux, la mise en forme de poudres par le procédé SPS et les simulations numériques associées, ainsi que les caractérisations microstructurales, chimiques et mécaniques.
Le consortium ainsi constitué permettra d’étudier la chaîne complète, de l’élaboration de nuances d’alliages complexes à leur mise en forme avec une microstructure contrôlée et des caractéristiques mécaniques maîtrisées, par une voie de métallurgie des poudres.
Le projet SYNOPSIS se décompose en trois grandes phases. La première consiste, sur une composition de référence, à mettre en place une nouvelle procédure permettant l’élaboration par voie coulée de lingots pré-alliés, de les atomiser par gaz inerte et sans creuset, puis de fritter la poudre obtenue, en contrôlant sur l’intégralité de la chaîne la composition chimique des matériaux manipulés, et en garantissant une santé matière optimale après frittage (taux de porosité, microstructure). Une fois la procédure mise en place, le projet passera dans un second temps à une étape d’optimisation d’alliage, avec l’étude de plusieurs compositions d’alliages (avec leur production sous forme de poudres) et la génération de différentes microstructures, sur la base de critères d’évaluation fixés au début du projet : plusieurs propriétés d’emploi de ces matériaux (principalement les résistances en fluage, traction, fissuration, oxydation) seront ainsi évaluées à différentes températures. Dans une troisième phase, l’obtention de pièces technologiques sans défauts, de géométries complexes et de grande taille, ainsi que les possibilités d'assemblage et de modification de surface en utilisant le SPS, seront étudiées. La compréhension fine de la déformation suite au fluage ainsi que, plus généralement, des mécanismes de plasticité feront partie d’une tâche à part entière.
Deux thèses sont associées à ce projet.
Le projet SYNOPSIS utilisera les compétences développées lors d’un précédent projet ANR (IRIS, 2009-2013), notamment pour l’élaboration réussie par SPS d’ébauches d’aube de turbine à partir de poudres de TiAl et d’un alliage à base de siliciure de niobium.

Coordinateur du projet

Monsieur Stefan Drawin (Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEMES Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales, UPR 8011 CNRS
ICB Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, UMR 6303 CNRS / Université de Bourgogne
ONERA Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales

Aide de l'ANR 522 132 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 48 Mois

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