Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Alliages TiAl : microstructure et propriétés mécaniques

Participants : Alain Couret, Jean-Philippe Monchoux, Daniel Caillard

Depuis une vingtaine d’années, les alliages TiAl sont en cours de développement pour des applications dans des turboréacteurs en raison de leur haut module de Young, de leur grande résistance mécanique, et de leur bonne tenue à l’oxydation et au feu. Toutefois, il est encore nécessaire d’améliorer leur ductilité à basse température et leur résistance au fluage.

 

Au CEMES, nous menons plusieurs études corrélées sur ces alliages :

 

  • Développement d’alliages par Frittage Flash - Spark Plasma Sintering (SPS) [1, 2].

    Propriétés mécaniques d’alliages TiAl élaborés par frittage flash

    Le frittage flash est une technique qui permet la compaction rapide de poudres par l’application d’un courant continu de haute intensité sous une pression uni-axiale. Notre objectif est d’élaborer des microstructures fines présentant un bon compromis entre résistance au fluage et ductilité à froid. Il est également nécessaire d’éviter une forte texture qui induit des propriétés anisotropes. Nous avons déterminé les conditions d’une bonne compaction et obtenu des alliages ayant des propriétés mécaniques interressantes. Les propriétés à la température ambiante sont excellentes mais la tenue au fluage doit encore être améliorée. De plus, la reproductibilité des résultats est exceptionnelle pour ce type d’alliage.

 

  • Etude quantitative de la formation de la structure lamellaire [3,4].

    La microstructure lamellaire apporte le meilleur compromis entre résistance à la fracture et tenue au fluage, ce qui est primordial pour les applications dans les turboréacteurs. Par des études quantitatives statistiques en microscopie électronique, nous isolons et analysons les diverses transformations lamellaires activées durant la solidification du matériau. En particulier, nous étudions les distributions des phases et des variantes d’orientation et nous mesurons les caractéristiques de la structure lamellaire, telles que les enchaînements et largeurs des lamelles. Par suite, nous remontons ensuite aux forces motrices contrôlant ces transformations et aux mécanismes mis en jeu.

 

  • Etudes des mécanismes élémentaires de déformation[5,6] (Video).

    Microstructure d’un alliage lamellaire déformé à la température ambiante

    Dans les alliages monophasés et multiphasés, la déformation se produit par différents types de dislocations (dislocations parfaites, maclage). Nous étudions les différents mécanismes de déformation à différentes températures, par déformation in situ dans le microscope et par analyse post mortem d’échantillons déformés. Nous avons également analysé les mécanismes de traversée des interfaces lamellaires.

 

  • Fluages des alliages TiAl [7,8].

    Le comportement en fluage d’alliages TiAl avec différentes compositions chimiques et diverses microstructures est étudié par : i) essais classiques de fluage, ii) essais de sauts de contrainte pour déterminer les paramètres d’activation et iii) analyse post mortem d’échantillons flués. La résistance au fluage est corrélée aux paramètres microstructuraux et aux mécanismes élémentaires de déformation.

 

Ces travaux sont développés en collaboration avec la Snecma Moteurs, Turboméca et l’ONERA (DMSN).

 

Références

  1. Spark Plasma Sintering, a promising route in powder metallurgy ; application to titanium aluminide alloys MOLENAT G., THOMAS M. GALY J., COURET A. Advanced Engineering Materials, 9 N°8, 667-669, 2007
  2. Microstructure and mechanical properties of TiAl alloys consolidated by spark plasma sintering COURET A.,MOLENAT G., GALY J., THOMAS M. Intermetallics, in press, 2008
  3. Structural transformations activated during the formation of the lamellar microstructure of TiAl alloys ZGHAL S., THOMAS M, COURET, A., Intermetallics, 13, 9, 1008-1013, 2005.
  4. Phase transformations in TiAl based alloys ZGHAL S., THOMAS M, NAKA S., FINEL A., COURET, A., Acta Metall. Mater., 53, 2653-2664, 2005
  5. Interpretation of the stress dependence of creep by a mixed climb mechanism in ?-TiAl MALAPLATE J., CAILLARD D, COURET A. Phil. Mag., 3671-3687, 84, 2004.
  6. The activation and the spreading of deformation in a fully lamellar Ti-47Al-1Cr-0.2Si Alloy SINGH J.B.,MOLENAT G., SUDARARAMAN M., BANERJEE S., SAADA G., VEYSSIERE P.,COURET A. Phil. Mag., 86, 2429-2450,2006
  7. Le Contrat de Programme de Recherche TiAl : un exemple de collaboration coordonnée entre recherché académique et industrie. COURET A., GRANGE M, LASALMONIE A., BRECHET Y., BELAYGUE P. Matériaux et Techniques, 1-2, 3-12, 2004.
  8. Primary creep at 750°C of Ti48Al48Cr2Nb2 alloys elaborated by powder metallurgy and cast processes MALAPLATE J., THOMAS M., BELAYGUE P., GRANGE M., COURET A. Acta Metall. Mater., 601-611, 2006

 

Financement

  • SPLASMAP : Spark PLAsma Sintering : Mise en œuvre d’un outil innovant pour l’élaboration de Matériaux Aéronautiques plus Performants. Action interrégionale Aquitaine et Midi-Pyrénées – Recherche et Transfert de technologie. 10 2007 – 10 - 2009
  • IRIS : Innovative manufacturing Route for Intermetallic alloys by spark plasma net Shaping Le frittage flash : une voie innovante pour l’élaboration aux cotes d’alliages intermétalliques
    ANR – Matériaux Fonctionnels et Procédés Innovants 10 2008 – 10 - 2012