Exploration de la voie SPS pour la fabrication d'aubes de turbine pour l'aéronautique : développement d'un alliage TiAI performant et densification de préformes

Exploration of the SPS route to produce turbine blades for aeronautical applications : development of an efficient TiAl alloy and densification of near-net shapes

• Auteur / Autrice : Thomas Voisin
• Direction : Alain Couret, Jean-Philippe Monchoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Aluminures de titane

Spark Plasma Sintering

Propriétés mécaniques

Plasiticité

Aubes de turbine

Frittage Flash

Résumé

Dans le but de réduire la consommation de carburant, le bruit et les émissions de gaz à effet de serre, les aluminures de titane (TiAl) font partie des meilleurs candidats pour la fabrication d'aubes de turbine des étages basse pression des moteurs d'avion. Les alliages TiAl combinent une haute résistance mécanique aux températures de service et une excellente résistance à l'oxydation. Après 30 ans de développement, des aubes de turbines en TiAl ont été intégrées aux nouvelles générations de moteurs par différents motoristes comme GENERAL ELECTRIC et SNECMA-SAFRAN. Cependant, ces alliages souffrent toujours d'une faible ductilité à température ambiante, d'une résistance au fluage limitée et d'un procédé de fabrication difficile et couteux. C'est dans ce contexte que notre travail visait à explorer et valider le SPS comme voie de fabrication de préformes d'aubes de turbine. Pour cela, nous avons travaillé sur la maitrise de ce procédé, développé un alliage performant remplissant le cahier des charges industriel et fabriqué des préformes d'aube. Le Spark Plasma Sintering (SPS) est un procédé de métallurgie des poudres où la densification a lieu grâce à l'application simultanée d'un courant électrique pulsé de forte intensité et d'une pression uni-axiale. Premièrement, après une étude de l'effet du bore dans les alliages TiAl frittés, deux alliages ont été densifiés par SPS et étudiés. Des observations MEB, des essais de traction et de fluage et des études de plasticité, par des observations MET conventionnelles et des essais de traction in situ, ont permis d'optimiser les microstructures afin d'obtenir les meilleures propriétés mécaniques. Finalement, ces travaux ont conduit à l'obtention d'un alliage aux propriétés mécaniques remarquables dépassant largement le cahier des charges, ouvrant alors la voie à des applications à encore plus haute température. Cet alliage de composition chimique Ti-Al48-W2-B0. 08 a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Le deuxième objectif portait sur la réalisation de préformes d'aubes de turbine par SPS. De manière à comprendre les processus de densification et optimiser la méthode et l'outillage utilisés, des pièces de formes de plus en plus complexes ont été densifiées jusqu'à l'obtention d'une préforme de taille réduite. Ensuite, un changement d'échelle rendu possible par l'utilisation d'une machine SPS de taille industrielle a conduit à la réalisation de deux types de préforme d'aube. Ces résultats ont conduit au dépôt d'un second brevet.

With the aim of reducing fuel consumption, noise, and greenhouse gas emissions, titanium aluminides (TiAl) are of great interests to be used in the turbine blades of low pressure stage of airplane engines. TiAl alloys offer a high strength at both room and working temperatures combined with an exceptional resistance to oxidation. After thirty years of development, TiAl turbine blades were implemented in the new generations of engine by several motorists as GENERAL ELECTRIC or SNECMA-SAFRAN. However, these alloys still suffer from a low ductility at room temperature, a limited creep resistance and a difficult and expensive manufacturing process. It is within this context that the SPS process has been investigated as a new way to produce near-net shape turbine blades. This has required working on the mastering of the process, on the development of an efficient TiAl alloy fulfilling the industrial requirements and on the fabrication of near-net shape blades. Spark Plasma Sintering (SPS) is a powder metallurgy technique where the densification occurs thanks to the simultaneous application of a pulsed direct current and of a uniaxial pressure. Firstly, after a study of the effect of boron incorporation in sintered TiAl alloys, two TiAl alloys processed by SPS have been investigated. SEM observations, tensile and creep tests and plasticity studies by conventional TEM as well as by in-situ straining experiments have been performed to optimize the microstructure in order to obtain the best mechanical properties. Finally, a TiAl alloy exhibiting outstanding mechanical properties at both room and high temperatures has been obtained, exceeding the industrial specifications and opening the route to higher temperature applications. This alloy, with a chemical composition Ti-Al48-W2-B0. 08, has been patented. Secondly, investigations have focused on the processing of near-net shape blades by SPS. In order to understand the densification mechanisms and to optimize the method and tools, several pieces with an incremental shape complexity have been densified until getting a small-scale near-net shape blade. Then, an up-scaling using a bigger SPS apparatus has led to the production of two kinds of near-net shape blades. These results have also led to a patenting.