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Microstructure & comportement à chaud d’alliages
TiAl
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| Dans la famille des aluminiures de titane, les
alliages composés d’environ 50% de titane et 50%
d’aluminium (alliages TiAl) font l’objet d’une
attention particulière dans le monde des matériaux
à vocation mécanique. Ces intermétalliques
offrent en effet une possibilité d’allègement
des masses des pièces travaillant à hautes températures
et donc une opportunité d’amélioration des
rendements des moteurs pour l’industrie aéronautique.
Leur intérêt résulte d’une faible densité
et d’un fort module
d’Young qui leur confèrent jusqu’à
800°C des propriétés mécaniques aussi
intéressantes que celles des superalliages base-Nickel
ou des aciers. De plus, ils présentent les avantages d’une
bonne tenue au feu et d’un faible coefficient de dilatation
qui permet une maîtrise des jeux. Les limites actuelles
à leur utilisation sont un fluage primaire important, une
faible ductilité,
la résistance à la fissuration et à la fatigue,
le coût des pièces, la nécessité de
mettre en place des technologies nouvelles pour leur industrialisation.
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Les recherches en cours ont pour but de dépasser les limites évoquées. Le moyen : jouer des larges possibilités de structuration de ces alliages pour élaborer la microstructure adaptée aux propriétés requises pour telle ou telle utilisation. En effet, selon les conditions de refroidissement du métal en fusion ou les traitements thermiques appliqués au métal solidifié, selon les éléments chimiques qui pourront être ajoutés, selon le procédé d’élaboration (fonderie ou métallurgie des poudres par exemple), l’élaborateur peut maîtriser (ou penser maîtriser !) la taille des grains – du monocristal au matériau à nanograins – , leur morphologie, leur homogénéité de répartition dans la pièce, les phases cristallines en présence et leurs pourcentages relatifs, leur répartition spatiale etc… Le physicien peut alors avoir à sa disposition des matériaux qui révèleront des propriétés mécaniques très différentes et des processus physiques de plasticité très variés avec une idée simple à la base : joints de grains, interface et interphases sont a priori autant d’obstacles au vecteur de propagation de la déformation qu’est la dislocation. |
 Figure 1 : Microstructure lamellaire d’un alliage TiAl.
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Ne finissons pas sans montrer une microstructure particulièrement
spectaculaire et prometteuse : la microstructure lamellaire. |
Notre recherche au Cemes cf. publications [A1-A7] |
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| Par des études antérieures effectuées
sur des matériaux modèles, nous connaissons bien
les mécanismes de la plasticité des cristaux de
phase cubique [A1] ou hexagonale [A2] propres à TiAl. Notre
approche expérimentale originale consistant à déformer
le cristal à l’intérieur du microscope électronique
en transmission (déformation in situ – [A3]) a notamment
apporté de riches informations sur la dynamique des dislocations
impliquées. La séquence
téléchargeable ici présente successivement
la dynamique des dislocations dites ordinaires et la dynamique
des dislocations dites de maclage (cette séquence comme
la suivante sont en temps réel et les grandissements du
microscope sont typiquement de 50 000). |
En couplant expériences in situ et analyses
d’échantillons préalablement déformés
(observations post mortem), nous avons aussi pu proposer des mécanismes
de franchissement des interfaces par les dislocations [A5-A7].
La séquence
vidéo téléchargeable illustre le cas
d’une macle se bloquant sur une interface et finissant par
générer dans la lamelle suivante une dislocation
ordinaire puis une macle. Ces travaux se poursuivent en particulier
sur l’analyse du rôle durcissant d’un ajout
d’atomes de silicium ou d’oxygène.
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Ligne 1 : Comportement en fluage
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| La tenue au fluage, c’est-à-dire la résistance à la déformation d’un matériau subissant une contrainte constante sur de longues périodes de temps, est une propriété souvent recherchée, par exemple pour les matériaux des pales des turbo-machines qui, en service, sont soumises à la force centrifuge. Afin de tester cette tenue, nous avons monté un ensemble de trois machines de fluage dont deux d’entre elles sont interfacées, offrant un contrôle fin de la charge appliquée et de la température. Nous pouvons alors réaliser en cours d’expérience des sauts de température ou des sauts de contraintes qui permettent d’atteindre un paramètre physique clé des processus de déformation en jeu, le volume d’activation. Actuellement, nous étudions l’évolution de ce paramètre tout au long d’un essai de plusieurs mois afin de pouvoir identifier les mécanismes de dislocations qui contrôlent le comportement d’un alliage TiAl à 750°C. Au préalable, nous avions pu caractériser les différentes types de dislocations impliquées [A8]. |
 Figure 2 : Courbe déformation (%)-temps (heures) obtenue lors d’un essai de fluage à 750°C sous une charge de 150 MPa et dislocations impliquées (de type 1 ou de type 2) en fonction du stade de la déformation, stade primaire (phase de décélération de la déformation) ou stade secondaire (phase de déformation à vitesse constante.
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Ligne 2 : SPS |
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| Ce projet s’appuie sur l’installation
à Toulouse d’une machine SPS (Spark
Plasma Sintering) dite aussi de frittage flash, qui permet
d’élaborer des microstructures aux caractéristiques
et propriétés tout à fait nouvelles en faisant
passer pendant quelques secondes des impulsions de courant très
intense à travers la matrice et la poudre du matériau
désiré. |
Le but est d’obtenir une microstructure fine, homogène et lamellaire afin d’atteindre un bon compromis entre les propriétés à haute température (fluage, oxydation) et celles à température ambiante (ténacité, ductilité). Il s’agira également d’explorer en quoi cet outil d’élaboration pourrait offrir une nouvelle voie de mise en forme d’aubes de turbine, les techniques traditionnelles d'élaboration étant très difficiles à mettre en œuvre sur ces matériaux.
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