Développement et étude d'alliages réfractaires complexes, à microstructure cubique centrée et orthorhombique, pour des applications aéronautiques

Development and study of refractory complex concentrated alloys, with body-centered cubic and orthorhombic microstructure, for aeronautics applications

• Auteur / Autrice : Antoine Lacour-Gogny-Goubert
• Direction : Ivan Guillot, Philippe Vermaut, Zhao Huvelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne) - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est / ICMPE
• Jury : Président / Présidente : Joël Douin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ivan Guillot, Philippe Vermaut, Zhao Huvelin, Franck Tancret, Vladimir Esin, Anne-Laure Helbert, Anna Manzoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Tancret, Vladimir Esin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Alliages

Mots clés libres

Alliages réfractaires complexes

Alliages orthorhombique

Design d'alliages

Couple/Multiplet de diffusion

Microstructure

Refractory complex concentrated alloys

Orthorhombic alloys

Alloys design

Diffusion couple/multiple

Microstructure

Résumé

Les alliages réfractaires complexes apparaissent comme des candidats crédibles pour des applications aéronautiques, spécifiquement pour la gamme de température visée de 800°C–1000°C. Cependant, la complexité de ces alliages, induite par la présence de nombreux éléments en forte concentration, rend difficile la prédiction, ainsi que le contrôle de leur microstructure, et par voie de fait de leur propriétés mécaniques. Le choix a donc été fait de développer des alliages complexes en se fondant sur un alliage Ti–Nb–Al–Si à matrice cubique centrée, renforcé par la précipitation d’une phase intermétallique orthorhombique (O), en y ajoutant de nouveaux éléments réfractaires. Par conséquent, il est nécessaire de mettre en place une méthode de développement d’alliages permettant de prévoir l’effet de l’ajout de différents éléments réfractaires sur la précipitation de la phase O. Les bases de données thermodynamiques n’étant pas assez fiables sur ces alliages, une approche expérimentale basée sur l’étude de couples/mutliplet de diffusion a été mise en place. Cette méthode permet notamment de relier la fraction de phase O et la concentration chimique en couplant de l’analyse d’image à des cartographies EDS. À partir de cette étude, il est possible de discuter de l’effet des différents éléments d’alliages sur la stabilité de la phase O ainsi que d’en déduire des compositions d’alliages, possédant une microstructure optimisé. Les compositions déterminées par cette méthode peuvent ensuite être étudiées sur des alliages massifs afin notamment d’étudier finement la microstructure et d’évaluer les propriétés mécaniques des alliages.

Refractory complex concentrated alloys (RCCA’s) are candidates for aeronautics use, especially in the 800°C–1000°C temperature range. However, the addition of several elements in high concentration, render difficult the prediction and the control of these alloys microstructure, as well as their mechanical properties. It was then decided to develop RCCA’s based on a Ti–Nb–Al–Si alloy with a duplex bcc+orthorhombic (O) microstructure by adding new refractory elements to the initial alloy. Therefore, a methodology for predicting the effect of an alloying element on the O phase precipitation has to be set-up. Since the current thermodynamic databases are not reliable enough, an experimental scanning method based on diffusion couples/multiples was developed. This method allows to quantify the O phase fraction according to the concentration by coupling image analysis measurements and EDS mapping. Following this method allows to discuss the alloying effect of several refractory elements on the O phase stability as well as to determine alloys composition with optimised microstructure. These new alloys composition can then be studied on bulk materials in order to finely analyse the microstructure and to evaluate the mechanical properties.