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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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4. Principaux facteurs limitatifs pour les propriétés
Une des assertions les plus transmises par la communauté scientifique à propos de TiAl, concerne le fait que ces alliages ne sont pas assez fiables en raison de la dispersion importante des propriétés mécaniques. Un fort leitmotiv des industriels est donc d’identifier les causes de dispersion de propriétés de ces alliages, afin de permettre la transposition des résultats obtenus sur un lot d’alliages à un autre lot d’alliages puis aux pièces réelles pour le respect de leurs cahiers des charges.
Devant la diversité des sources de données concernant les propriétés d’usage, il n’est pas surprenant de constater une certaine dispersion des résultats des essais mécaniques. Cette disparité, attribuée un peu rapidement à la méconnaissance de certains facteurs propres aux différents laboratoires, peut en fait être quantifiée voire réduite : la composition précise avec les niveaux d’impuretés, l’état métallurgique qui conditionne nombre de paramètres (taille de grains, texture, etc.), les conditions d’essais et la nature de l’environnement quand il s’agit d’essais à chaud, l’état de surface des éprouvettes, l’endroit de prélèvement et l’orientation des éprouvettes si les propriétés ne sont pas isotropes. Ces dernières caractéristiques inhérentes aux éprouvettes ne sont pas toujours spécifiées et contribuent d’ailleurs à masquer le rôle intrinsèque joué par les autres paramètres tels que les éléments d’addition ou la microstructure. Une difficulté majeure découle aussi du fait que la dispersion de propriétés peut provenir d’un comportement local du matériau. Nous allons passer en revue les trois facteurs principaux qui contribuent le plus à cette dispersion de résultats.
4.1 Prise en compte de la texture
En ce qui concerne la texture de solidification, les alliages TiAl se caractérisent par une combinaison de facteurs morphologique et cristallographique qui contribue à l’anisotropie des propriétés mécaniques. Ces facteurs sont souvent liés et peuvent d’ailleurs influer sur certaines propriétés mécaniques de manière opposée. Les terminologies “mode dur” et “mode mou”, généralement adoptées pour décrire de telles propriétés anisotropes, ont déjà permis de décrire le comportement...
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BIBLIOGRAPHIE
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