Un procédé innovant de fabrication d'aubes de turbines nouvelle génération : le frittage flash

mercredi 07 décembre 2016

L'alliage développé par des métallurgistes du CEMES permet la réalisation de pièces complexes de moteurs d'avion offrant une résistance inégalée aux hautes températures.

Des physiciens du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales de Toulouse (CEMES-CNRS) et de l'ONERA ont mis au point un nouveau procédé de fabrication d'aubes de turbine de moteurs d'avions en un alliage intermétallique léger et performant. Ces travaux ouvrent la voie à l'introduction des alliages TiAl dans des étages plus contraints de ces moteurs, et donc à des gains significatifs de performances et de réductions des nuisances. Ces travaux ont fait l'objet du dépôt de 2 brevets, et vont être publiés dans la revue Metallurgical and Materials Transaction.

Pour les moteurs aéronautiques, l'amélioration du rendement et de la durabilité ainsi que les gains en termes de pollution et de nuisance sonores passent par l'introduction de matériaux légers et performants dans les divers étages des turboréacteurs. Les alliages intermétalliques de la famille TiAl offrent aujourd'hui la meilleure solution grâce à leur faible densité (moitié moindre que celle des alliages base nickel actuellement utilisés) et leur grande résistance mécanique. Mais leur industrialisation est toujours limitée en raison de la difficulté de mettre au point un procédé de fabrication de ces aubes en un alliage performant. Un groupe de chercheurs français du CEMES et de l'ONERA a montré comment produire des aubes de turbine en alliage TiAl possédant de hautes propriétés mécaniques en utilisant le procédé de frittage flash. Cette technique consiste à densifier un matériau à partir d'une poudre par l'application d'une pression et d'un courant électrique de forte intensité.

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Propriété et microstructure de l'alliage Ti-Al48-W2-B0,08 densifié par SPS. (a) courbe de fluage à 700°C et 300 MPa qui montre une durée de vie de 4 000 heures. La vitesse minimale de fluage qui correspond à la pente de la courbe est de 3,7 10-9 s-1. (b) microstructure de l'alliage observée par microscopie électronique à balayage. On remarque la présence de liserés en périphérie des grains lamellaires.

L'alliage développé de composition Ti-Al48-W2-B0,08 possède une résistance mécanique à haute température exceptionnelle avec par exemple une durée de vie à 700°C sous 300 MPa de plus de 4000h (Figure 1a). Cela traduit un gain de plus d'un ordre de grandeur sur la tenue mécanique à haute température par rapport aux alliages actuellement utilisés. De plus, il affiche une ductilité à température ambiante supérieure à 1,5%, au-delà des préconisations industrielles pour l'application. Ces résultats exceptionnels ont été obtenus par la maitrise des procédés métallurgiques activés durant le frittage flash. Ces propriétés remarquables résultent de la formation de liserés monophasés de taille et teneur en tungstène contrôlées, en bordure des grains de structure lamellaire (Figure 1b). En effet, ces liserés sont déformables et apportent ainsi de la ductilité tout en étant résistants grâce à leur taille limitée et leur enrichissement en tungstène.

La seconde innovation de ce travail est la fabrication de préformes d'aubes directement par frittage flash ou « Spark Plasma Sintering » (SPS) (Figure 2). Le challenge résidait dans l'obtention d'une pièce de géométrie complexe dans un matériau intrinsèquement fragile. La méthode développée consiste à donner sa forme à la pièce par le système d'encapsulation en graphite de la poudre. La pièce présentée sur la Figure 2a a été obtenue en une seule passe ; sa microstructure est contrôlée sans qu'il soit nécessaire d'appliquer des traitements thermiques. La réalisation d'une telle pièce par frittage flash est une première dans la littérature. Elle ouvre la voie à d'autres applications et d'autres matériaux.

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Préforme d'aube de turbine en alliage TiAl fabriquée en une seule passe par frittage flash. (a) pièce réalisée, (b) maquette numérique de l'aube correspondante et (c) modélisation thermoélectrique du procédé.

 

Référence de l'article

Mechanical properties of the TiAl IRIS alloy
Thomas Voisin, Jean-Philippe Monchoux, Marc Thomas, Christophe Deshayes et Alain Couret
Mettalurgical and Materials Transactions A (2016), doi:10.1007/s11661-016-3801-3

 

Contact

Contacts chercheurs :
Alain Couret - Directeur de recherches CNRS, directeur adjoint du CEMES
Jean-Philippe Monchoux, Thomas Voisin et Lise Durand, CEMES
Marc Thomas, ONERA.


Contact INP (Institut de Physique du CNRS) :

Jean-Michel Courty, Marie Signoret, Marine Charlet-Lambert
inp.com chez cnrs.fr

 

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