Comment la combinaison de techniques de microscopie permet de résoudre une ancienne question de métallurgie

1er décembre 2024

Une des solutions pour diminuer drastiquement les nuisances environnementales des moteurs aéronautiques est d’introduire des alliages TiAl dans les étages des turboréacteurs fonctionnant à plus de 800 °C, en raison de la faible densité de ces matériaux. La résistance voulue à ces hautes températures peut être obtenue en introduisant des éléments lourds qui vont conduire à la formation d’une phase β_o de structure cubique centrée ordonnée. L’alliage TNM appartient à cette classe d’alliages résistants mais souffre d’une très faible ductilité qui rend son industrialisation impossible.

Les chercheurs du CEMES ont travaillé au sein d’un projet ANR international avec leurs collègues autrichiens, inventeurs de cet alliage TNM, pour en comprendre les raisons de la rupture prématurée lors d’un cycle de déformation. Pour détecter l’origine de cet effet, il a été nécessaire d’associer plusieurs techniques de microscopie électronique, et de les pousser à l’extrême.

La vue (a) de l’image ci-dessous montre que la phase β_o contient une seconde phase qui apparait sous la forme de nano-précipités diffus. La faiblesse des contrastes résulte du peu de différence de composition chimique entre ces deux phases. Ces résultats combinés à des clichés de diffraction en axe de zone (b) et des images à résolution atomique (c) ont démontré que ces précipités prenaient une structure ω_o et avaient une forme d’aiguille et des dimensions caractéristiques de l’ordre de quelques nanomètres.

Des essais de déformation in situ, technique permettant d’observer directement sous contrainte les mécanismes de déformation, ont montré que s’ils représentent un obstacle durcissant à la déformation (d), ces précipités sont traversables par les dislocations, et donc ne sont pas directement à l’origine de la rupture de l’alliage. Par contre, comme le montre la vue (e), les dislocations vont former des empilements de centaines de dislocations pour franchir les précipités, et ainsi créer des concentrations de contrainte qui amèneront finalement à la rupture du matériau.

Ainsi, ces nano-précipités sont bien indirectement à l’origine de la rupture prématurée du matériau.

Analyse de la structure et des caractéristiques des nano-précipités de phase ω_o dans l’alliage TNM. (a) Image en champ sombre, (b) Cliché de diffraction en axe de zone, (c) Image en résolution atomique d’un nano-précipité, (d) Dislocations ancrées sur des nano-précipités, en mouvement lors d’un essai de déformation in situ et (e) Tête d’un empilement de dislocations.

Contact :
Alain Couret | alain.couret[chez]cemes.fr

Publications :
Plasticity and brittleness of the ordered β_o phase in a TNM-TiAl alloy
Molénat G., Galy B., Musi M., Monchoux J.P., Toualbi L., Clemens H, Thomas M., and Couret A.
Intermetallics 151, 18, 2022
DOI : https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107653

ω precipitation and its influence on the deformation mechanisms of a TNM Ti-Al alloy
Molénat G., Monchoux J.P., Warrot-Fonrose B., and Couret A.
Materials Characterisation 218, 114509, 2024
DOI : https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114509