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RÉSUMÉ
Ce document rassemble les données fondamentales pour l’utilisation d’alliages à base de TiAl, qui comprend leurs caractéristiques propres, les différentes compositions, les microstructures rencontrées et les procédés d’élaboration et de transformation. Suite à la description d’un certain nombre de facteurs limitatifs pour l’obtention de propriétés reproductibles, un ensemble de propriétés d’usage est passé en revue. Le document se termine par les enjeux économiques et les domaines d’application.
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Marc THOMAS : Docteur ingénieur à l’ONERA - Chef de projet au Département Matériaux et Structures Métalliques (DMSM)
INTRODUCTION
L’émergence des alliages intermétalliques à base de TiAl trouve son origine à la fois dans la forte attractivité de ce nouveau matériau aux propriétés uniques et dans le contexte économique et industriel de réduction des coûts. Un certain nombre de facteurs (réduction de masse, baisse de consommation de carburant, coûts de maintenance, nuisances environnementales) liés à la performance des turbomachines, justifie le fait que les constructeurs aéronautiques soient en quête de matériaux légers, mais capables de supporter des températures de fonctionnement toujours plus hautes pour un gain en puissance. Les critères de choix pour ces nouveaux matériaux sont d’une part l’évolution de la température d’entrée de turbine et d’autre part l’évolution du rapport poussée/masse.
Un petit regard en arrière permet de se souvenir qu’à l’aube des années quatre-vingt, les progrès les plus significatifs que l’on pouvait espérer au niveau des alliages de titane conventionnels résidaient dans une optimisation incrémentale des procédés de transformation d’alliages existants. L’horizon était bouché avec ces alliages, en particulier en raison des problèmes liés à l’oxydation au-delà de 600 °C qui limitaient la température d’utilisation. Dans le même temps, TiAl affichait des propriétés physiques intéressantes par rapport au titane en terme de rigidité spécifique et de résistance au feu. De plus, ses propriétés statiques et cycliques s’avéraient potentiellement au moins équivalentes à celles des superalliages base nickel. Le développement de ces nouveaux intermétalliques ordonnés fut considéré comme très prometteur avec une capacité en température escomptée jusqu’à 850 °C. Les matériaux à base de Ti3Al ont été les premiers à être étudiés dans les années quatre-vingt, mais ils se sont avérés trop limités en résistance à l’oxydation et à la tenue au fluage. Des recherches puis le développement sur les alliages à base de TiAl débutèrent à partir du début des années quatre-vingt-dix.
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- Version courante de juin 2020 par Marc THOMAS
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1. Généralités
1.1 Intérêts de l’utilisation du TiAl
Le composé intermétallique TiAl possède un certain nombre de caractéristiques qui en font un matériau structural de plus en plus incontournable pour la gamme de température 650-850 °C. Ce matériau constitue ainsi le meilleur candidat dans les turbomachines au remplacement des alliages de titane des parties chaudes du turbocompresseur, ou des superalliages base nickel dans les étages basse pression de la turbine (figure 1). Sa température de fusion de 1 440 °C conditionne l’excellente rétention de la résistance mécanique à température élevée. Son module d’Young de 175 GPa permet d’escompter des gains de rigidité de 45 % par rapport aux matériaux conventionnels, ce qui, avec un allègement simultané de 15 %, autorise une réduction potentielle en masse des structures de 25 %. Sa conductivité thermique élevée est favorable au refroidissement et son faible coefficient de dilatation permet de mieux maîtriser les jeux entre pièces. Le niveau de performance des alliages à base de TiAl en regard de leurs caractéristiques propres est explicité dans le tableau 1.
HAUT DE PAGE1.2 Caractéristiques propres du composé intermétallique TiAl
1.2.1 Structure cristallographique
Le composé intermétallique TiAl, comme son nom l’indique, résulte de la combinaison de deux éléments métalliques, le titane et l’aluminium, en proportion 50/50 en raison de l’agencement cristallographique ordonné des atomes. Ce composé possède une structure différente de celle du titane (structure hexagonale) et de celle de l’aluminium (structure cubique face centrée). En effet, ce composé s’ordonne au-dessous du point de fusion sur le réseau quadratique face centrée de groupe d’espace P4/mmm. Cette structure L10 (de type CuAu), dénommé γ, peut être décrite comme un empilement le long de l’axe c de plans cubiques de titane et d’aluminium en alternance...
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BIBLIOGRAPHIE
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