Conception et développement d’alliages innovants

Frédéric Prima, Philippe Vermaut, Fan Sun, Lola Lilensten, Richard Portier

Alliages de titane TRIP/TWIP

La capacité des métaux et alliages à se déformer sous l’application d’une contrainte est cruciale pour leur mise en forme et leur bonne tenue en sollicitation. Plusieurs mécanismes peuvent permettre cette déformation, comme le glissement des dislocations, mais aussi le maclage sous contrainte (Twinning Induced Plasticity, ou effet TWIP) et les transformations de phase sous contrainte (Transformation Induced Plasticity, ou effet TRIP). La combinaison de deux de ces modes de déformation ou même l’activation simultanée des trois mécanismes dans un alliage font déjà l’objet de stratégies de conception propres dans deux grandes familles d’alliages : les aciers et des alliages de titane. Pour ces derniers, l’apport des deux mécanismes de déformation alternatifs est considérable. Les alliages de titane de structure bcc présentent généralement, en effet, un manque d’écrouissage et de ductilité, menant à une localisation précoce de la déformation et à la rupture prématurée du matériau. Grâce à ces deux mécanismes, des propriétés mécaniques jusqu’alors jamais obtenues dans les alliages de Ti ont pu être observées. La famille des alliages de titane TRIP/TWIP fait donc l’objet d’un intérêt grandissant, leur étude étant d’autant plus facilitée que des paramètres de conception éprouvés existent afin de guider le choix des compositions étudiées. L’étude menée au sein de l’équipe métallurgie structurale se penche donc sur le lien entre microstructure et propriétés mécaniques, afin de mieux comprendre et donc contrôler les mécanismes à l’œuvre dans ces alliages. Ceci passe tant par des études fondamentales d’alliages modèles tel que Ti-12Mo que par des travaux sur compositions plus adaptées à des utilisations industrielles.

In situ investigation of the deformation in a grain of a Ti-10V-4Cr-1Al (wt;%) Ti TRIP/TWIP alloy. (a) In-situ stress/strain curve. (b–f) Secondary electron images at yielding, ε ≈ 0.1, ε ≈ 0.2, ε ≈ 0.35 and after rupture respectively (sample always under charge). The EBSD phase maps are superimposed to the SE images for (c), (d) and (f), with β in red and α’’ in green.

L’exploration de nombreux paramètres est effectuée, comme l’impact du mode de sollicitation (thèse C. Varenne), les variations microstructurales (telles que les structures harmoniques, thèse de B. Fer, ou les microstructures biphasées), les variations de composition et leur impact sur la synergie entre les différents mécanismes de déformation (thèse B. Qian). Ceci vise à accéder à une compréhension fondamentale et en profondeur des mécanismes à l’œuvre dans ces matériaux, des paramètres qui les contrôlent, permettant ensuite une optimisation de ces derniers pour des applications ciblées.

Stratégie de développement d’alliages de titane TRIP-TWIP biphasés

Alliages réfractaires pour les applications hautes températures

L’amélioration des performances des moteurs d’avions peut se faire soit par une optimisation du flux des gaz au sein du turboréacteur soit par une élévation de la température de fonctionnement de celui-ci. Dans le premier cas, l’optimisation du flux des gaz chauds en fonction du régime de fonctionnement du turboréacteur a été envisagée à l’aide d’alliages à mémoire de forme base Ru pouvant changer de forme et ainsi modifier l’écoulement des gaz dans une gamme de températures supérieures à 500°C. Cette propriété de changement de forme pilotée par un changement de la température est issue d’une transformation de phase appelée la transformation martensitique. Un des axes sur lesquels nous travaillons consiste à étudier l’influence de la composition chimique des composés intermétalliques RuNb et RuTa sur les températures de transformation de phase et sur l’amplitude du changement de forme.
Dans le second cas, l’augmentation de la température de fonctionnement nécessite de développer, pour les aubes de turbines, de nouveaux matériaux pouvant supporter des charges mécaniques à des températures de plus en plus élevées. Or un métal soumis à une charge mécanique, même faible, et à des températures très élevées va se déformer lentement avec le temps. Ce comportement visqueux du métal appelé fluage dépend sensiblement de la température et de la charge mécanique. Plus la densité du matériau est faible, plus faibles seront les forces centrifuges auxquelles sera soumis le matériau. Il faut donc améliorer la résistance mécanique spécifique (rapport entre la résistance mécanique et la masse volumique en MPa.g-1.cm3). Les alliages les plus utilisés à haute température sont aujourd’hui des alliages base nickel. Mais ceux-ci sont pénalisés par une densité relativement élevée de l’ordre de 8g/cm3. Une alternative existe aujourd’hui avec des aluminiures de titane (TiAl) de plus faible densité (4.5g/cm3), mais qui ne peuvent fonctionner au-delà de 750°C. Les alliages NbTiAl sur lesquels nous travaillons, sont constitués d’une matrice de structure cubique centrée durcie par l’addition d’une petite quantité de silicium (1%) et la précipitation d’une phase de structure orthorhombique, la phase O-Ti2AlNb. Ces alliages, d’une densité intermédiaire d’environ 6g/cm3, constituent d’excellents candidats susceptibles de fonctionner jusqu’à des températures de l’ordre de 850°C. Nous travaillons actuellement sur l’addition d’éléments réfractaires permettant d’améliorer les performances mécaniques et/ou de fonctionner sur une gamme de température au-delà de 850°C.


De l’importance de la microstructure

Comprendre et maîtriser la formation des microstructures est fondamental, car elles définissent les propriétés du matériau. De nombreuses études, transverses à toutes les thématiques de recherche de l’équipe, sont donc menées sur les phénomènes de transformations de phases et de mises en solution ainsi que leurs cinétiques, pour obtenir les séquences de transformations au sein d’un matériau. Les résultats appliqués à des alliages commerciaux comme le Ti 5553, proche bêta, permettent d’optimiser ensuite les conditions de forgeage des alliages (thèse R. Lambert).

L’obtention de microstructures complexes peut également mettre en jeu des procédés de mise en forme innovants, tels que la métallurgie des poudres avec frittage SPS (thèse B. Fer), ou l’impression 3D (thèse O. Dumas). Ceci permet d’obtenir des microstructures complexes, comme des structures harmoniques ou multiphasées, dont l’étude suggère qu’elles peuvent doter le matériau d’une meilleure résistance mécanique ou de propriétés de tolérance aux défauts améliorées.

Ti-24Nb-4Zr-8Sn à microstructure harmonique