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1 - PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES DE TIAL

2 - CHOIX DES NUANCES

3 - ÉLABORATION ET TRANSFORMATION

  • 3.1 - Fabrication de lingots
  • 3.2 - Moulage de précision
  • 3.3 - Forgeage
  • 3.4 - Filage
  • 3.5 - Laminage
  • 3.6 - Métallurgie des poudres

4 - PRINCIPAUX FACTEURS LIMITATIFS POUR LES PROPRIÉTÉS

  • 4.1 - Prise en compte de la texture
  • 4.2 - Contrôle de la teneur en aluminium
  • 4.3 - Prépondérance de la microstructure

5 - PROPRIÉTÉS D’USAGE

6 - ENJEUX ÉCONOMIQUES ET DOMAINES D’APPLICATIONS

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

9 - SIGLES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : M4782 v2

Élaboration et transformation
Alliages intermétalliques à base de TiAl

Auteur(s) : Marc THOMAS

Relu et validé le 02 avr. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article rassemble les données fondamentales pour l’utilisation d’alliages à base de TiAl, notamment 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. Sont présentés ensuite les enjeux économiques et les domaines d’application.

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ABSTRACT

TiAl based intermetallic alloys

This article provides fundamental data for the use of TiAl-based alloys, which includes their own characteristics, the different compositions, the observed microstructures and the manufacturing and transformation processes. Following the description of a number of limiting factors for obtaining reproducible properties, a set of end-use properties is reviewed. The article ends with economic issues and application areas.

Auteur(s)

  • Marc THOMAS : Ingénieur chef de projet, - DMAS, ONERA, Université Paris Saclay, France

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 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.

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KEYWORDS

microstructure   |   processing   |   mechanical properties   |   applications

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m4782


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3. Élaboration et transformation

3.1 Fabrication de lingots

Un certain nombre d’écueils existent lorsqu’il s’agit de fabriquer des lingots en alliages à base de TiAl. Tout d’abord, l’écart entre les points de fusion pour les éléments titane et aluminium aboutit à un risque non négligeable de conserver des infondus ou de vaporiser une partie de l’aluminium. Ensuite, la complexité et la durée des différentes étapes de solidification et de refroidissement favorisent la rétention de micro- et macroségrégations chimiques dans le lingot. D’autre part, les techniques utilisant un creuset céramique ne sont pas adaptées pour l'élaboration de TiAl, d'une part en raison de la forte réactivité de certains éléments tels que le titane vis-à-vis du creuset, et d'autre part en raison de l'ajout de certains éléments réfractaires ayant un point de fusion élevé. En conséquence, l'utilisation d'un creuset en cuivre refroidi est recommandée, bien que ce choix limite les possibilités de surfusion du métal liquide. En effet, la limitation des capacités de surfusion de certaines techniques de coulée peut tendre à couler trop rapidement le métal liquide dans le moule, ce qui entraîne des turbulences et l’emprisonnement de gaz.

Aux États-Unis, la majorité des lingots TiAl destinés à la fonderie ont été élaborés par Induction Skull Remelting (ISR) par Flowserve Corporation. Cette technique avec creuset froid en cuivre sectorisé et refroidi à l’eau est utilisée pour des matériaux réactifs ou lorsqu’un haut niveau de pureté est exigé. L'induction électromagnétique garantit une bonne homogénéisation et limite la contamination dans le métal liquide en raison de la lévitation induite et ainsi de l’absence de contact du métal liquide avec le creuset. Le rendement thermique étant toutefois limité par des pertes en conduction et en rayonnement, cette technique est plus adaptée pour produire de petits lingots de laboratoire d’une centaine de millimètres de diamètre. Il est possible d’augmenter la surfusion, en général très limitée, par l'incorporation d'une torche plasma.

Une seconde technique d’élaboration a été utilisée aux États-Unis chez Allvac pour la fabrication de lingots plus importants : la technique PACHM (Plasma Arc Cold Hearth Melting) ou PAM-CHR (Plasma Arc Melting/Cold Hearth Refining). Le fait que cette...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DIMIDUK (D.M.), McQUAY (P.A.), KIM (Y-W.) -   Gamma Alloy Technology 1999, Titanium ’99 : Science and Technology.  -  Proceedings de 9th World Conference on Titanium, p. 259 (1999).

  • (2) - McCULLOUGH (C.), VALENCIA (J.J.), LEVI (C.G.), MEHRABIAN (R.) -   Phase equilibria and solidification in Ti-Al alloys.  -  Acta Materialia, 37, p. 1321 (1989).

  • (3) - DENQUIN (A.) -   Étude des transformations de phase et approche du comportement mécanique des alliages biphasés à base de TiAl : une contribution au développement de nouveaux alliages intermétalliques.  -  Thèse de Doctorat de l’Université des Sciences et Technologies de Lille (1994).

  • (4) - ZGHAL (S.) -   Contribution à l’étude de la microstructure et de la déformation plastique des alliages TiAl lamellaires.  -  Thèse de doctorat de l’Université Paul Sabatier de Toulouse (1997).

  • (5) - HUANG (S.-C.) -   Alloying considerations in Gamma-Based Alloys.  -  Structural...

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