Alliages intermétalliques à base de TiAl

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 1980, 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 et limitant la température d’utilisation. Dans le même temps, TiAl affichait des propriétés physiques intéressantes par rapport au titane en termes 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 à base de 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 aluminiures de titane à être étudiés dans les années 1980, mais ils se sont avérés trop limités en résistance à l’oxydation et au fluage. Des recherches, puis le développement sur les alliages à base de TiAl, débutèrent à partir du début des années 1990 pour se poursuivre en 2020, notamment pour atteindre des températures d’utilisation plus élevées, de l’ordre de 850 °C.

L’objectif de cet article est d’apporter les connaissances de base sur les alliages intermétalliques à base de TiAl, à la fois pour le lecteur curieux souhaitant en connaître plus sur ces matériaux, et pour les techniciens et ingénieurs en quête de matériaux légers aux propriétés reproductibles pour une application à haute température. Il existe de nombreux alliages à base de TiAl avec divers éléments d’addition, comme en témoignent les centaines de brevets déposés. Malgré cette richesse, cet article espère démontrer que la composition chimique n’est peut-être pas le premier facteur qui contrôle les propriétés mécaniques de TiAl. En effet, les transformations de phase sont intrinsèquement corrélées à la chimie de ces alliages, et ce sont elles qui gouvernent la microstructure par le biais des procédés d’élaboration et des traitements thermiques. Il est donc nécessaire d’appréhender tous ces facteurs pour optimiser le niveau de performance possible. Enfin, il faut également conserver un regard critique sur les aspects technico-économiques pour le choix des filières les plus adaptées et des meilleurs alliages.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles et des sigles utilisés.