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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

nouvel ALliage de TItane haute temperaTUre pour applications aéronautiques de DEmain – ALTITUDE

ALTITUDE

Nouvel alliage de titane hautes températures pour applications aéronautiques de demain

Concevoir de nouveaux alliages de titane pour les hautes températures

Les alliages de titane, par leur excellente résistance mécanique spécifique, leur bonne tolérance aux dommages et leur bonne résistance à la corrosion sont particulièrement attractifs pour les applications aéronautiques. Néanmoins, ils ne conservent ces propriétés que jusqu’à 550°C. <br />Le projet ALTITUDE a donc pour objectif de développer un nouvel alliage de titane présentant à la fois une bonne résistance face aux sollicitations de type fatigue-fluage (effet dwell) et de bonnes propriétés mécaniques au moins jusqu’à 650°C, tout en tenant compte des interactions avec l'environnement. <br /> <br />Pour atteindre cet objectif, le projet étudie l’influence du molybdène pour son effet bénéfique sur la résistance à l'effet dwell, du nobium entrant dans la composition des alliages tenant aux plus hautes températures, et du silicium qui améliore les propriétés mécaniques à chaud, au moins jusqu’à 650°C. L’effet de ces éléments d'addition sur le comportement à l'oxydation de l'alliage constitue un aspect important du projet.

Le projet s’articule en deux étapes.

La première consiste à sélectionner une douzaine d'alliages aux compositions prometteuses à partir de calculs d’équilibre thermodynamique et microstructuraux, de les élaborer et de les caractériser.
À ce stade, il s'agit d'étudier plus particulièrement l'influence des éléments d’addition (Mo, Nb, Si) sur les évolutions microstructurales en lien avec la tenue mécanique (traction à l’ambiante et à chaud) et avec la résistance à l’oxydation, notamment après un traitement de vieillissement.
Trois ou quatre compositions les plus prometteuses doivent émerger de cette première étape.

La deuxième étape consiste en une étude approfondie des cinétiques de transformation, des microstructures résultantes et de leur résistance à l'environnement. On y cherche à comprendre et modéliser les cinétiques de transformation et les mécanismes d’oxydation, en examinant plus particulièrement le rôle du silicium sur ces évolutions comme sur les mécanismes de déformation à chaud.

Enfin, on évalue les propriétés des alliages sélectionnés, dans des conditions proches de celles rencontrées en service, en particulier la fatigue-fluage (effet dwell) et le comportement en propagation de fissure en fatigue à hautes températures, en lien avec l’environnement.

Travail en cours

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La réduction des émissions polluantes, enjeu stratégique majeur pour l'industrie aéronautique, passe par l'augmentation des propriétés en température et la réduction de la masse totale des aéronefs. Les alliages de titane, par leur excellente résistance mécanique spécifique, leur bonne tolérance aux dommages et leur bonne résistance à la corrosion sont donc particulièrement attractifs pour les applications aéronautiques. Néanmoins, ils ne conservent ces propriétés que jusqu'à 550°C ; améliorer leur tenue en température au-delà de 650°C tout en conservant, voire en améliorant les propriétés d'emploi spécifiques à l'application visée, constitue un défi scientifique particulièrement ambitieux.
Le projet ALTITUDE a pour objectif de relever ce défi en développant un nouvel alliage de titane présentant à la fois une bonne résistance face aux sollicitations de type fatigue-fluage (effet dwell) et de bonnes propriétés mécaniques au moins jusqu'à 650°C, tout en tenant compte des interactions avec l'environnement.

Pour atteindre cet objectif, le projet étudiera l'influence d'éléments comme le molybdène pour son effet bénéfique sur la résistance à l'effet dwell, le carbone qui devrait améliorer l'aptitude de l'alliage aux traitements thermiques à hautes températures, et enfin le silicium combiné au germanium dont on sait qu'ils améliorent les propriétés à chaud au moins jusqu'à 650°C. L'effet éventuel de ces éléments d'addition sur le comportement à l'oxydation de l'alliage constitue un aspect important du projet.

Le projet s'articulera en deux étapes. La première permettra de sélectionner des compositions prometteuses à partir de calculs d'équilibre thermodynamique et la caractérisation d'une dizaine de compositions élaborées spécifiquement. On étudiera plus particulièrement à ce stade l'influence des éléments d'addition (Mo, Si, Ge et C) sur les évolutions métallurgiques en lien avec la tenue mécanique (traction à l'ambiante et à chaud) et avec la résistance à l'oxydation, notamment après un traitement de vieillissement. À l'issue de cette première phase, les quatre compositions les plus prometteuses seront retenues.
La deuxième étape consistera en une étude approfondie des cinétiques de transformation, des microstructures résultantes et de leur résistance à l'environnement. On cherchera à comprendre et modéliser les cinétiques de transformation et les mécanismes d'oxydation, en examinant plus particulièrement le rôle du silicium, du germanium et du carbone sur ces évolutions comme sur les mécanismes de déformation à chaud.
Enfin, on évaluera les propriétés des alliages sélectionnés, dans des conditions proches de celles rencontrées en service, en particulier la fatigue-fluage (effet dwell) et le comportement en propagation de fissure en fatigue à hautes températures, en lien avec l'environnement.
L'ensemble des résultats scientifiques de la deuxième étape nous permettra alors de proposer l'alliage le plus à même de répondre aux spécifications des cahiers des charges des utilisateurs finaux en termes de propriétés mécaniques d'usage et environnementales.

Ce projet fait intervenir aux cotés des utilisateurs finaux (SAFRAN, AIRBUS), un producteur d'alliages de titane (TIMET), un centre de recherche aéronautique (ONERA) ainsi que des partenaires académiques spécialistes de la métallurgie des alliages de titane (Institut Jean Lamour) et des mécanismes d'oxydation (Laboratoire Interdisciplinaire Carnot Bourgogne). Le consortium ainsi constitué est en parfaite adéquation avec l'objectif global du projet.

Coordinateur du projet

Monsieur Benoît Appolaire (Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces))

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

IJL Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces)
ICB LABORATOIRE INTERDISCIPLINAIRE CARNOT DE BOURGOGNE
ONERA - CENTRE CHATILLON
SAFRAN SAFRAN SA
TIMET TIMET SAVOIE
AIOP AIRBUS Operations SAS

Aide de l'ANR 661 187 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 48 Mois

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