Effet d'éléments d'alliage en substitution et en insertion sur les mécanismes de déformation et sur la tenue mécanique d'intermétalliques TiAl à haute température

Effect of substitutional and interstitial alloying elements on the deformation mechanisms and on the mechanical strength of TiAl intermetallics at high temperature

• Auteur / Autrice : Benjamin Galy
• Direction : Jean-Philippe Monchoux, Muriel Hantcherli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance le 11/01/2023
• 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 : Bernard Viguier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Monchoux, Muriel Hantcherli, Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Couzinié, Jose maria San Juan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Industrie aéronautique

Composés intermétalliques

Mots clés libres

TiAl

Dislocations

MET

Essais mécaniques

TiAl

Dislocations

TEM

Mechanical tests

Résumé

Réduire les émissions de CO2 est un enjeu majeur de l'industrie aéronautique, qui nécessite le développement de nouveaux matériaux fonctionnels à hautes températures. Les alliages intermétalliques TiAl sont de bons candidats puisqu'ils ont une faible densité volumique ainsi qu'une bonne résistance mécanique à hautes températures. Aujourd'hui, ces alliages sont employés dans les aubes de turbines, au niveau des parties basses pression de certains moteurs, mais leur température d'utilisation est limitée à environ 700°C. Afin de pouvoir un jour les incorporer dans des parties de plus haute pression, il est nécessaire d'améliorer les alliages TiAl pour qu'ils puissent être employés à des températures d'au moins 800°C. Pour cela, l'ajout d'éléments d'alliages tels que le tungstène, le molybdène, le carbone et le silicium, dans la composition chimique des alliages est une voie intéressante. Ces éléments ont conduit au développement de trois alliages prometteurs pour une utilisation industrielle à haute température. L'alliage IRIS (Ti49.92-Al48-W2-B0.08), développé au CEMES, et les alliages TNM (Ti51.4-Al43.5-Nb4-Mo1-Bo0.1) et TNM+(Ti50.8-Al43.5-Nb4-Mo1-C0.3-Si0.3-Bo0.1), développés par l'université de Leoben. Cependant, l'amélioration des propriétés résultant de l'incorporation de ces éléments, n'est pas encore bien comprise. C'est dans ce contexte que nous avons effectué un travail fondamental visant à comprendre l'effet de chacun de ces éléments sur les propriétés de TiAl, à haute température, avec un intérêt plus particulier pour l'effet des éléments lourds et notamment, celui du tungstène. Ainsi, nous avons travaillé à l'élaboration de matériaux modèles permettant d'isoler l'effet spécifique de chacun des éléments de l'étude. Cette élaboration s'est faite par un procédé de métallurgie des poudres. Cinq nuances d'alliage ont ainsi été atomisées par le procédé EIGA, et les poudres ont ensuite été densifiées par SPS. Des essais de fluage, de traction et de compression ont été effectués sur les nuances binaire et celles contenant les éléments lourds, de microstructures gamma, dans le but de quantifier l'effet de ces éléments. Des essais en la traction et en fluage ont été également réalisés sur les différentes nuances de microstructure lamellaire pour déterminer celle qui présente le meilleur potentiel pour de futures applications industrielles. À partir des éprouvettes de microstructure gamma, déformées en fluage à 800°C, des observations MET post mortem et in situ ont été réalisées sur les nuances TiAl et TiAl-W. Ces observations ont permis d'identifier les mécanismes de déformation actifs dans ces deux nuances, ainsi que leur cinétique. En complément de ces observations, des expérimentations par sonde atomique ont été réalisés sur la nuance TiAl-W pour pousser au niveau atomique l'investigation du rôle du tungstène sur les propriétés de TiAl.

Reducing CO2 emissions is a major challenge for the aerospace industry, which requires the development of new functional materials at high temperatures. TiAl intermetallic alloys are good candidates since they have a low density and good mechanical resistance at high temperatures. Today, these alloys are introduced in turbine blades of the low-pressure sections of engines, but their operating temperature is limited to about 700°C. In order to be able to incorporate them in higher pressure sections, it is necessary to improve these alloys so that they can be functional at temperatures of at least 800°C. For this purpose, the addition of alloying elements such as tungsten, molybdenum, carbon and silicon is an interesting way to improve TiAl alloys. These alloying elements have led to the development of three promising alloys for industrial use at high temperatures. The IRIS alloy (Ti49.92-Al48-W2-B0.08), developed at CEMES, and the TNM (Ti51.4-Al43.5-Nb4-Mo1-Bo0.1) and TNM+(Ti50.8-Al43.5-Nb4-Mo1-C0.3-Si0.3-Bo0.1) alloys, developed by Leoben University. However, the improved properties resulting from the incorporation of these elements are not yet well understood. In this context, fundamental work aimed at understanding the effect of each element on the properties of TiAl, at high temperature has been carried out in this work, with a particular interest concerning the effect of heavy elements and especially that of tungsten. Thus, we have worked on the production of model materials to isolate the specific effect of each element of the study. This elaboration was done by a powder metallurgy process. 5 alloys were atomized by an EIGA process, and the powders were subsequently densified by SPS. Creep, tensile and compression tests were performed on the binary alloy and those containing the heavy elements, of gamma microstructures, in order to quantify the effect of these elements. Also, tensile and creep tests were performed on the different alloys with a lamellar microstructure to determine which alloy has the best potential for future industrial applications. From the gamma microstructure specimens, deformed in creep at 800°C, post mortem and in situ TEM observations have been performed on TiAl and TiAl-W alloys. These observations allowed to show the active deformation mechanisms in these two alloys, as well as their kinetics. In addition to these observations, atomic probe experiments were carried out on the TiAl-W alloys to investigate the role of tungsten on the properties of TiAl at the atomic level.