Rôle de l'oxygène dans la fragilisation à hautes température de TiAl : Insertion, diffusion et interaction avec les dislocations

Role of oxygen in the high temperatures enbeittlement of TiAl : insertion, diffusion and interaction with the dislocations

• Auteur / Autrice : Camille Thenot
• Direction : Jean-Philippe Monchoux, Damien Connétable
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la Matière
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Mabru
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Monceau, Emmanuel Clouet, Marc Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hosni Idrissi, Sandrine Brochard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Microscopie électronique en transmission

Oxygène

Fatigue thermique

Alliages aluminium-titane

Mots clés libres

TiAl

Propriétés mécaniques

Oxygène

MET

Simulations DFT

Diffusion

TiAl alloy

Mechanical properties

Oxygen

TEM

DFT simulations

Diffusion

Résumé

La fragilisation catastrophique de TiAl par exposition à hautes températures à l'air est un phénomène intriguant, qui constitue un défi pour le développement industriel de ces matériaux dans l'aéronautique ou l'automobile. En effet, après une exposition à des températures de l'ordre de 500 à 800°C, une chute dramatique de ductilité, accompagnée d'une augmentation de limite d'élasticité ont été observées. Les alliages TiAl présentant un très fort potentiel pour des applications à hautes températures (≈ 700°C) en raison de leur faible densité (≈ 4 g/cm3), cette fragilisation constitue un verrou technologique majeur à lever. Pour progresser dans la compréhension et la maîtrise de ce phénomène, nous avons couplé des caractérisations microstructurales par MET au CEMES, et des modélisations théoriques par DFT au CIRIMAT. Nous avons ainsi caractérisé finement la morphologie et la dynamique des dislocations dans TiAl en présence d'oxygène, à l'aide d'observations par MET posr-mortem et in-situ. Par ailleurs, les modélisations atomistiques ont permis de mieux comprendre les interactions entre l'oxygène et le réseau de TiAl, et d'identifier avec précision le rôle des défauts ponctuels, surfaciques et linéaires dans la solubilité de l'oxygène. En parallèle, une étude théorique et expérimentale de la diffusion de l'oxygène nous a permis d'obtenir, pour la première fois, une valeur de coefficient de diffusion dans la phase gamma de TiAl.

Catastrophic embrittlement of TiAl alloy after high temperature exposure under air is an intriguing phenomenon which is far from being elucidated and remains a challenge for securing the use of this material in high temperatures industrial applications. Indeed, after an exposure to temperatures around 500 to 800°C, a dramatic loss of ductility and an increase of the yield stress has been observed. TiAl alloys are very interesting for high temperatures applications (≈ 700°C) because of their low density (≈ 4 g/cm3) and this embrittlement problem is to be solved in order to allow its technological development. To progress in the understanding and the mastering of this phenomenon, we have coupled microstructural characterizations by TEM at CEMES, and theoretical modeling at CIRIMAT. Thus, the morphology and the dynamics of the dislocations in TiAl in presence of oxyge, have been accurately determined, using post-mortem and in-situ TEM investigations. Moreover, the atomistic simulations allowed a better understanding of the interactions between oxygen and the TiAl lattice, and a precise identification of the role of the punctual, surface and linear defects in the oxygen solubility. Simultaneously, diffusion of oxygen was studied both theoretically and experimentally, which allowed to obtain, for the first time, a diffusion coefficient value in the gamma phase of TiAl.