Microstructure et propriétés mécaniques des superalliages base nickel polycristallins pour les moteurs d'avion du futur – TOPAZE

Pour relever ce défi aux multiples facettes, la chaire industrielle ANR TOPAZE met en œuvre un programme de recherches s'appuyant sur deux équipes à l'expertise reconnue dans leur domaine respectif : évolutions de microstructures en mise en forme au CEMEF (MINES ParisTech CNRS, Sophia Antipolis) et relations microstructures – propriétés d'emploi et durabilité à l'institut Pprime (ISAE-ENSMA CNRS, Poitiers).
La démarche globale combine des approches expérimentales de pointe et des moyens de simulation numérique avancés à base physique. Le programme de travail de la chaire TOPAZE repose sur quatre thèses CIFRE en lien direct avec des besoins industriels concrets et quatre thèses pour des développements amont (expérimentaux ou numériques).
La complexité des mécanismes métallurgiques étudiés et leur caractère multi-échelle appelle en effet le développement de méthodes expérimentales adaptées pour une description complète de la microstructure et des mécanismes régissant le comportement mécanique. Ce sont ces savoir-faire originaux qui permettront d’identifier les paramètres microstructuraux pertinents pour la construction de modèles prédictifs. Du point de vue académique, ces mêmes savoir-faire permettent également d’aborder sous un angle nouveau des mécanismes physiques qui sont à l’œuvre mais qui sont restés en grande partie mal compris (par exemple le maclage thermique), voir même de découvrir de nouveaux mécanismes.

Les résultats des 18 premiers mois de la chaire TOPAZE n’ont pas encore été publiés à ce jour (juillet 2021). Ces résultats s’ajoutent à ceux globalement issus de la coopération entre Safran, le Cemef et l’institut Pprime depuis son origine au démarrage en 2015 de la chaire Opale, à laquelle TOPAZE fait suite.
Plusieurs exemples de travaux amont ont permis de lever des verrous dans des études appliquées, qui a leur tour ont fourni des informations utiles pour la conduite des procédés industriels.
Outre une production scientifique abondante : (57 articles, 51 communications orales, 12 thèses soutenues sur la période 2015-2021), les résultats se déclinent également en terme de :
• visibilité et reconnaissance (9 Prix et distinctions depuis 2015),
• montée en compétences des équipes académiques et industrielles et développement d’une culture croisée,
• formation de jeune docteurs à la culture scientifique et technique élargie, avec un profil apprécié sur le marché de l’emploi dans le secteur académique ou le secteur industriel,
• définition et mise en œuvre de moyens techniques originaux,
• contenus pédagogiques ciblés,
• renforcement ou initiation de coopérations académiques et industrielles en périphérie de la chaire, en France et à l’international.

Les superalliages base nickel polycristallins connaissent d’autres applications que celles ciblées dans les travaux de la chaire TOPAZE.
Par exemple ils remplissent le cahier des charges de tenue mécanique en température et de résistance à la corrosion pour les tubes caloporteurs des centrales thermiques solaires. La maîtrise de leur comportement en mise en forme permettra d’étendre l’application des connaissances acquises dans la chaire TOPAZE pour les disques de turbine à de nombreuses autres applications et procédés de fabrication.
Les savoir-faire et modèles à base physique développés pourront également être appliqués à d'autres types d'alliages utilisés en aéronautique et plus largement dans tous les grands secteurs comme l'énergie ou le transport terrestre.

La liste des articles publiés (dans des journaux ou actes de conférences internationales) est accessible en ligne à cette adresse :
chaire-opale.cemef.mines-paristech.fr/publications-et-communications/

Les articles issus spécifiquement des travaux de la chaire TOPAZE seront affichés au fil de l’eau sur le site de la chaire TOPAZE :
chaire-topaze.cemef.mines-paristech.fr

Les articles sont également référencés sur l’archive ouverte HAL :
hal.archives-ouvertes.fr

Le groupe français Safran, constructeur de moteurs d'avion et d'hélicoptères notamment, se place parmi les leaders mondiaux dans le domaine de la métallurgie et mise en forme des superalliages base nickel. Cette position doit être défendue, notamment vis-à-vis de la forte concurrence américaine. Dans ce domaine de très haute technologie, la compétitivité industrielle repose directement sur les avancées de la recherche scientifique. Safran a ainsi décidé il y quelques années de s'engager dans des programmes de recherche à moyen/long terme avec des partenaires académiques sélectionnés et a co-financé la chaire industrielle OPALE, retenue par l'ANR à l'issue de l'appel à projets 2014. Les nombreux résultats de la chaire OPALE ont notamment permis de définir la feuille de route à suivre pour la suite.
Les turbomachines de nouvelle génération et celles à venir doivent fonctionner à plus haute température pour gagner en rendement, et ainsi réduire l'impact écologique du transport aérien en droite ligne avec les objectifs "Vision 2020" fixés par l'ACARE. Les superalliages base nickel gamma-gamma' sont les seuls matériaux aujourd’hui capables de satisfaire les exigences pour la fabrication des disques de turbine des parties les plus chaudes des moteurs. Ces pièces sont d'une criticité extrême, leur rupture en service n’est pas acceptable car elle peut potentiellement impacter de manière dramatique l’intégrité de l’aéronef. Les résultats de la chaire OPALE ont démontré que la métallurgie et la maîtrise de la mise en forme des superalliages gamma-gamma' sont beaucoup plus complexes que celles des alliages utilisés jusqu'ici. Ces matériaux seront employés au cours des trente prochaines années, au minimum. Maîtriser le comportement de ces alliages, au cours de leur mise en forme et au cours de leur vie en service, est absolument essentiel d'un point de vue industriel, et représente un véritable défi scientifique. Pour relever ce défi aux multiples facettes, le projet de chaire industrielle ANR TOPAZE propose un programme de recherches s'appuyant sur deux équipes à l'expertise reconnue dans leur domaine respectif : évolutions de microstructures en mise en forme au Cemef (MINES ParisTech, Sophia Antipolis) et relations microstructures – propriétés d'emploi et durabilité à l'Institut P' (ISAE-ENSMA / CNRS, Poitiers). Ces recherches établiront les bases de modèles prédictifs pour les microstructures et pour les propriétés, outils incontournables de la métallurgie du futur. Le programme de travail de la chaire TOPAZE repose sur quatre thèses CIFRE en lien direct avec des besoins industriels concrets et quatre thèses qui réaliseront des développements amont soit de nature prospective soit visant à nourrir les sujets plus appliqués.
Nathalie Bozzolo, proposée comme titulaire-coordinatrice, est une chercheuse expérimentée qui a de forts liens avec le monde industriel. Son domaine d'expertise, la métallurgie physique et plus particulièrement l'analyse de mécanismes microstructuraux, occupe une position centrale dans l'architecture du projet, couvrant à la fois les relations procédé-microstructure et microstructure-propriétés. Les trois autres principaux chercheurs impliqués complètent la large palette de compétences requises pour aborder la problématique industrielle globale posée : de l'analyse fine des microstructures et propriétés à la modélisation des relations procédé-microstructure et microstructure-propriétés, en passant par le développement des moyens numériques et expérimentaux ad hoc.
Les savoir-faire développés pourront par la suite être appliqués à d'autres types d'alliages utilisés en aéronautique et plus largement dans tous les grands secteurs comme l'énergie ou le transport terrestre. Enfin, il est à noter que la chaire TOPAZE amènera sur le marché de l'emploi des métallurgistes hautement qualifiés et doués d'une culture technique et scientifique élargie, ce qui constitue un profil très recherché.