Développement d’une nouvelle génération d’inoculants pour les alliages TiAl

Development of a New Generation of Inoculants for Ti-Al Alloys

• Auteur / Autrice : Jacob Roman Kennedy
• Direction : Emmanuel Bouzy, Julien Zollinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 17/07/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....) - Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Alain Hazotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Lacaze, Marc Thomas, Ulrike Hecht, Florian Kargl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Lacaze, Marc Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux métalliques -- Croissance

Métallurgie physique

Alliages aluminium-titane

Solidification

Mots clés libres

Solidification

Inoculation

Ti-Al

Résumé

Les alliages Ti-Al sont depuis peu utilisés industriellement dans le domaine aéronautique. Il est nécessaire d’affiner les grains dans ces alliages en évitant la formation des précipités. Une nouvelle méthode d’inoculation appelée inoculation isomorphe a été développée où les particules agissent comme des sites de croissance plutôt que comme des sites de germination, évitant ainsi la barrière d’énergie pour la germination. Trois alliages inoculants ont été développés, les deux premiers, Ti-10Al-25Nb et Ti-25Al-10Ta, allient une bonne cohérence du paramètre de maille avec l’alliage de base et une bonne stabilité dans le liquide. Le troisième, Ti-47Ta, met en avant l’aspect stabilité. Les coulées ont montré que les premiers deux alliages ont affiné les grains sans laisser de particules hétérogènes. L’alliage binaire Ti-Ta a une densité trop importante et les particules ont sédimentées dans le lingot où elles n’ont pas pu jouer leur rôle. L’efficacité des inoculants est supérieure à l’unité, chaque particule étant responsable de la formation de plus d’un nouveau grain. Ce dernier effet est attribué à la polycristallinité des inoculants qui peuvent se fragmenter par dissolution préférentielle aux joints de grains. Les calculs prenant en compte la fragmentation et la dissolution indiquent des efficacités proches de l’unité, ce qui confirme les valeurs expérimentales d’efficacité anormalement élevées

Ti-Al alloys are an important material for aerospace applications. In order to implement them in more applications it is important to develop a method of grain refinement which can avoid precipitates. A new method of inoculation called isomorphic inoculation was developed where inoculant particles act as direct centers of growth rather than nucleation sites, avoiding the energy barrier required for nucleation. Three inoculant alloys were tested, two which balanced lattice matching between the inoculant and bulk alloy and the inoculant stability in the liquid melt, Ti-10Al-25Nb and Ti-25Al-10Ta, and one which prioritized stability, Ti-47Ta. Casting trials were carried out which showed the balanced alloys sucessfully grain refined the as-cast structure without leaving any heterogeneous particles in the structure. The binary Ti-Ta alloy was not successful due to its high density which caused the particles to settle to the bottom of the ingots where they could not participate in solidification. The inoculants were found to have an efficiency greater than one, meaning each particle was responsible for more than one new grain forming in the cast structure. This was attributed to the polycrystalline nature of the partciles which may break up into multiple particles by preferential dissolution or wetting of the grain boundaries during interaction with the melt. Calculations showed that taking into account particle break up and dissolution the efficiencies approached one, indicating this mechanism is responsible for the anomalously high efficiencies observed