Étude de nouveaux alliages de titane pour applications aéronautiques hautes températures

Study of new titanium alloys for high-temperature aeronautical applications

• Auteur / Autrice : Thibaut Armanni
• Direction : Benoît Appolaire, Frédéric Fossard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Couzinié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Appolaire, Frédéric Fossard, Patrick Villechaise, Eva Héripré, Anne Denquin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Philippe Couzinié, Patrick Villechaise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Matériaux -- Essais

Microscopie électronique -- Technique

Imagerie spectroscopique

Microstructure (physique)

Effets des hautes températures

Titane -- Alliages

Industrie aéronautique

Mots clés libres

Alliages de titane

Quasi-Alpha

Microscopies électroniques

3d

Essais mécaniques

Apprentissage automatique

Titanium alloys

Near-Alpha

Electron microscopy

3d

Mechanical testing

Machine learning

Résumé

L'amélioration de la tenue en température des alliages de titane représente un défi de taille pour l'industrie aéronautique. En effet, dépasser la limite actuelle de 550°C dans les turbomoteurs requiert de trouver le meilleur compromis entre une bonne tenue à l'oxydation et de bonnes propriétés mécaniques en température. Les alliages dits quasi-alpha, constitués majoritairement de phase hexagonale compacte, sont ceux qui offrent les meilleures performances. Ils sont malheureusement sensibles à la fatigue/fluage à froid dit effet Dwell. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail est double. D'une part, il s'agit de contribuer à la conception de nouveaux alliages quasi-alpha par apprentissage automatique grâce à une campagne extensive de caractérisation des propriétés mécaniques, à l'ambiante et à chaud. D'autre part, il s'agit de mieux comprendre l'impact de la composition chimique, notamment la teneur en silicium, sur la microstructure et le comportement mécanique. Pour cela, notre démarche a reposé sur la caractérisation de la microstructure de plusieurs alliages sélectionnés judicieusement, en croisant différentes techniques de microscopie. Nous avons ainsi examiné l'influence d'une variation de la teneur en silicium à différentes échelles, en combinant la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique en transmission (MET). Nous avons mis en évidence la précipitation de siliciures au-delà d'une certaine teneur en Si, et entrepris de les caractériser de manière approfondie. En particulier, nous avons démontré les limitations d'une analyse en deux dimensions, et nous avons utilisé une technique alternative, combinant le découpage par faisceau d'ions (FIB) et l'observation par MEB pour reconstruire la microstructure en trois dimensions. Cette approche nous a permis d'observer en détail les formes, les tailles et les répartitions spatiales des siliciures. Enfin, nous avons mené des essais de traction à différentes vitesses de déformation ainsi que des essais de fluage dans diverses conditions, pour mieux comprendre le rôle bénéfique du silicium sur le comportement à froid et à chaud des alliages quasi-alpha.

Improving the high-temperature resistance of titanium alloys is a major challenge for the aerospace industry. Exceeding the current limit of 550°C in aircraft engines requires finding the best compromise between good oxidation resistance and good mechanical properties. Near-alpha alloys consisting mainly of a compact hexagonal phase are the best candidates. Unfortunately, they are sensitive to cold creep-fatigue, known as the dwell effect. In this context, our work aims to achieve two main objectives. Firstly, to contribute to the design of new near-alpha alloys based on machine learning, supported by extensive mechanical testing, at both ambient and high temperatures. Secondly, to gain a better understanding of the effect of chemical composition, particularly silicon content, on the microstructure and mechanical behaviour. Our approach was based on multi-scale microstructure study of selected alloys using a combination of different microscopy techniques. We examined the influence of a variation in silicon content using a combination of scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). We showed that silicide precipitation occurs above a certain silicon content. We demonstrated the limitations of two-dimensional analysis, and used an alternative technique combining ion beam cutting (FIB) with SEM observation to reconstruct the 3D microstructure. This approach enabled us to analyze and quantify the shapes, sizes and spatial distributions of the silicides. Finally, we carried out tensile tests at different strain rates as well as creep tests under various conditions to better understand how silicon addition improves the behaviour of near-alpha alloys.