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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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5. Propriétés d’usage
5.1 Propriétés à froid
5.1.1 Limite d’élasticité et résistance mécanique
Si l’on évoque le durcissement mis en jeu dans les alliages TiAl, il faut savoir que la résistance accrue au glissement des dislocations peut se manifester de plusieurs manières :
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le durcissement par solution solide grâce aux éléments d’addition (Nb, Cr, etc.) ;
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le durcissement par affinement de la microstructure (loi de Hall-Petch) ;
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le durcissement par écrouissage (via des traitements thermomécaniques) ;
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le durcissement par précipitation (borures, carbures, siliciures).
Il est très difficile de produire dans ce paragraphe des valeurs fiables de limite d’élasticité et de résistance mécanique du fait du nombre important de paramètres influents sur ces propriétés, comme nous l’avons vu au chapitre 4. À titre d’illustration, le tableau 4 représente les propriétés de traction et de fluage obtenues sur un ensemble de produits du même alliage de 1re génération (Ti-48Al-2Cr-2Nb) issu de provenances différentes dans le même état brut de CIC. Il est ainsi caractéristique de constater que la limite d’élasticité à température ambiante peut varier d’un facteur 2, (entre 300 et 600 MPa), pendant que la résistance au fluage varie de près de deux ordres de grandeur (durées comprises entre 5 et 274 heures pour atteindre 1 % de déformation dans des conditions de fluage à 800 °C et 180 MPa). Ces variations sont d’une part corrélées à la teneur en aluminium, et d’autre part à...
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BIBLIOGRAPHIE
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(4) - ZGHAL (S.) - * - . – Thèse de doctorat de l’Université Paul Sabatier de Toulouse (1997).
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