Amélioration des propriétés mécaniques à haute température des alliages TiAl par l'incorporation d'éléments d'addition – Hi-TiAl

Pour étudier les processus de durcissement à hautes températures, nous combinons des travaux à diverses échelles :
- essais macroscopiques de déformation, avec des mesures des paramètres d’activation de la déformation,
- études par microscopie électronique à l’échelle de la microstructure,
- analyse à l’échelle atomique par sonde atomique.
Les matériaux étudiés seront produits par frittage flash de poudres pré-alliées. Nous étudierons des nuances d’alliages contenant du W, du Mo, du C et du Si.

En attente

A discuter à la fin du projet

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Les alliages intermétalliques TiAl possèdent d’excellentes propriétés, telles qu’un haut point de fusion et un module élastique élevé, ainsi que de bonnes tenues en fluage et à l’oxydation à haute température. Ces propriétés attractives associées à une faible densité, proche de 4 grammes par centimètre cube, en font d’excellents candidats pour des applications structurales à haute température, en particulier pour les pièces chaudes des moteurs aéronautiques et automobiles. Ainsi, ces dernières années, le motoriste français SAFRAN a introduit des aubes en alliage TiAl dans le dernier étage de son moteur, « le LEAP », développé en partenariat avec le motoriste américain GENERAL ELECTRICS. Cette industrialisation s’avère un réel succès. Elle permet des gains substantiels en termes de consommation, nuisances sonores et émissions de gaz à effet de serre.
Pour poursuive dans cette voie, l’objectif est maintenant clairement d’atteindre des températures de service au-delà de 800°C afin d’introduire les alliages TiAl dans des étages plus solliocités des moteurs de configuration classique, et dans les futurs moteurs de nouvelle génération qui fonctionneront à plus hautes températures, offrant une forte rupture sur la diminution des nuisances. Ceci nécessite des alliages de nouvelle génération possédant des microstructures contrôlées et enrichies en éléments d’addition, éléments lourds en substitution, éléments légers en interstitiels. Si toutes les alliages de nouvelle génération en cours de développement suivent cette stratégie sur la base de démarches empiriques, les mécanismes de durcissement résultant de l‘incorporation de ces éléments sont encore aujourd’hui très mal compris.
L’objectif de ce projet est de comprendre dans une approche de nature fondamentale le rôle de ces éléments d’alliage sur les propriétés mécaniques et sur la stabilité thermique des alliages TiAl. Il rassemble les équipes de Montanuniversität Leoben, Auitriche (H. Clemens, S. Mayer) et du CEMES, Toulouse, France (A. Couret, J.P. Monchoux), qui se situent dans les toutes meilleures équipes au niveau international. Elles ont chacune breveté un alliage, TNM et IRIS, qui s’avèrent être dans les plus compétitifs, en s’appuyant des procédés différents, le forgeage et le frittage flash, en travaillant avec des industriels, MTU et SAFRAN, et en se retrouvant sur des microstructures de caractéristiques identiques, constituées de petits grains lamellaires et de zones inter-lamellaires monophasés.
La stratégie suivie est de travailler sur des alliages modèles enrichis en tungstène, molybdène, carbone et silicium et de développer des études de l’échelle atomique à l’échelle macroscopique. La première originalité réside dans le couplage de techniques expérimentales sophistiquées et très puissantes, dont ces laboratoires sont spécialistes : la sonde atomique (Leoben) et la microscopie électronique (CEMES) à l’échelle atomique, et les études in situ en déformation dans le microscope électronique (CEMES) et en température dans le synchrotron (Leoben). Un autre point fort se situe dans une corrélation des mesures macroscopiques des paramètres d’activation traduisant les dépendances en contrainte et température des mécanismes avec ces diverses caractérisations microstructurales. Les quatre matériaux et un alliage de référence seront élaborées par Frittage Flash de poudres pré-alliées.
L’objectif est de répondre aux questions fondamentales suivantes : comment se distribuent les éléments d’alliages dans la microstructure et est-ce qu’ils migrent lors d’un maintien de longue durée à haute température ? comment influencent-ils les mécanismes physiques actifs lors de sollicitations mécaniques ou thermiques de ces alliages ?
En conclusion, ce projet vise à apporter une meilleure compréhension des mécanismes actif à haute température et du rôle des éléments d’addition, dans le but de construire les bases solides pour le développement d’alliages de nouvelle génération.