Elaboration d'alliages TiAl à haute résistance à l'environnement – DEMENTIAL

Ce projet a pour but de développer de nouveaux matériaux TiAl à résistance accrue pour des expositions à hautes températures sous air, qui sont les conditions de service dans des applications clefs du domaine aéronautique (aubes de turbines). Cette question est en effet au cœur des préoccupations actuelles visant à élargir l’utilisation industrielle d’intermétalliques dans ces applications. Le principal défi est notamment de limiter la pénétration d’oxygène, qui se trouve impacter très négativement les propriétés mécaniques de ces matériaux à froid et à chaud. Pour y parvenir, une stratégie de conception d’alliages sera mise en place, sur la base d’approches théoriques prédictives suivies de validations expérimentales. Par ailleurs, la méthodologie développée présentera un caractère multi-échelle marqué, les investigations théoriques et expérimentales concernant les niveaux atomique, microscopique et macroscopique. Le programme de recherche proposé se déroulera ainsi selon les étapes suivantes :

(i) Un grand nombre d’éléments d’alliage (environ 30), jouant le rôle de pièges dans les mécanismes de diffusion d’O, seront définis sur la base de calculs atomistiques par DFT. Ceci permettra de choisir les 10 éléments susceptibles de réduire le plus efficacement la cinétique de pénétration d’O. On portera un intérêt particulier aux éléments Y, Zr et W, qui sont identifiés comme prometteurs dans la bibliographie. Les microstructures d’équilibre des alliages correspondants seront alors simulées par ThermoCalc, et des alliages modèles élaborés par fonderie. Sur ces matériaux, des mesures de profils de concentration d’isotopes 18O par SIMS permettront, pour la première fois, de déterminer des valeurs expérimentales de coefficients de diffusion, et de quantifier l’effet de piège prédit par les calculs.

(ii) L’effet des interfaces dans les phénomènes de diffusion, qui peut être très sensible, sera mis en évidence sur des matériaux à gros grains orientés (croissance par méthode Bridgman), ou à grains fins (élaboration par frittage flash). Ces résultats donneront des indications précieuses sur les microstructures les plus favorables pour limiter la pénétration d’O.

(iii) De ces expériences modèles, deux compositions d’alliage seront sélectionnées, pour des investigations plus approfondies et à plus grande échelle. Pour cela, ces alliages seront produits par métallurgie des poudres (élaboration par fonderie, atomisation, puis densification par frittage flash), en portant un soin particulier à l’obtention de microstructures optimisées.

(iv) Les matériaux obtenus seront testés mécaniquement après pénétration d’O, en incluant des essais de traction à température ambiante, de fatigue à chaud, et de fluage. Les résultats permettront ainsi de sélectionner un alliage TiAl optimisé vis-à-vis d’exposition à hautes température dans des environnements riches en oxygène.

(v) Enfin, pour s’appuyer sur une base physique, les mécanismes microscopiques de plasticité et d’endommagement en présence d’O seront caractérisés par des techniques avancées de microscopie, telles que la MET in situ, ou la compression de micro-piliers.

À l’issue de ce projet, une valorisation industrielle pourrait alors être proposée, s’inscrivant pleinement dans le contexte actuel des incitations à la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Ainsi, le développement de matériaux intermétalliques TiAl plus performants que les alliages à base de Ni, contribuerait à la consolidation du secteur aéronautique français dans la compétition internationale.