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WO 2016/102806
PCT/FR2015/053481
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Alliage intermétallique à base de titane
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne des alliages intermétalliques à base de
titane.
Des alliages intermétalliques à base de titane du type Ti2AINb
sont connus de la demande FR 9716057. De tels alliages possèdent une
haute limite d'élasticité jusqu'à 650 C, une résistance élevée au fluage à
550 C et une bonne ductilité à température ambiante. Cependant, ces
alliages peuvent présenter des tenues en fluage et en oxydation à
température élevée (650 C et au-delà) insuffisantes pour certaines
applications dans les turbomachines, telles que les disques aval ou les
rouets de compresseurs haute pression. Ces pièces constituent les pièces
tournantes les plus chaudes du compresseur et sont généralement
fabriquées en alliage de nickel de densité supérieure à 8 ce qui peut être
pénalisant pour la masse de la machine.
Il existe, par conséquent, un besoin pour disposer de nouveaux
alliages à base de titane de type Ti2AINb présentant une tenue au fluage à
température élevée améliorée.
Il existe aussi un besoin pour disposer de nouveaux alliages à
base de titane de type Ti2AINb présentant une résistance à l'oxydation à
température élevée améliorée.
Il existe encore un besoin pour disposer de nouveaux alliages à
base de titane de type Ti2AINb.
Objet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un
alliage intermétallique à base de titane comportant, en pourcentages
atomiques, 16 % à 26% d'Al, 18 % à 28% de Nb, 0 h à 3% d'un métal M
choisi entre Mo, W, Hf, et V, 0 % à 0,8% de Si ou 0,1% à 2% de Si, 0 A)
à 2% de Ta, 0 % à 4% de Zr, avec la condition Fe+Ni 400 ppm, le reste
étant Ti.
Du fait de la teneur réduite en éléments Fe et Ni, l'alliage selon
l'invention présente avantageusement une tenue en fluage à haute
température améliorée.
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Un tel alliage peut avantageusement présenter une limite
d'élasticité supérieure à 850 MPa à une température de 550 C, une
résistance au fluage élevée entre 550 C et 650 C ainsi qu'une ductilité
supérieure à 3,5 h et une limite d'élasticité supérieure à 1000 MPa à
température ambiante. Par température ambiante , il faut comprendre
la température de 20 C.
Sauf mention contraire, si plusieurs métaux M choisis parmi Mo,
W, Hf et V sont présents dans l'alliage, il faut comprendre que la somme
des teneurs en pourcentages atomiques de chacun des métaux présents
est comprise dans la plage de valeurs indiquée. Par exemple, si du Mo et
du W sont présents dans l'alliage, la somme de la teneur en pourcentage
atomique en Mo et de la teneur en pourcentage atomique en W est
comprise entre 0 % et 3%.
Le tantale présent dans des teneurs atomiques comprises entre
0 et 2% permet avantageusement de réduire la cinétique d'oxydation et
d'augmenter la résistance au fluage de l'alliage.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut vérifier, en
pourcentage atomique, la condition suivante : Fe+Ni 5 350 ppm, par
exemple Fe+Ni 5 300 ppm. Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut
vérifier, en pourcentage atomique, la condition suivante : Fe+Ni+Cr 5 350
ppm, par exemple Fe+Ni+Cr 5 300 ppm. De préférence, l'alliage peut
vérifier, en pourcentage atomique, la condition suivante : Fe 5 200 ppm,
par exemple Fe 5 150 ppm, par exemple Fe 5. 100 ppm.
De préférence, le rapport en pourcentage atomique Al/Nb peut
être compris entre 1 et 1,3, par exemple entre 1 et 1,2.
Un tel rapport Al/Nb permet avantageusement d'améliorer la
résistance à l'oxydation à chaud de l'alliage.
De préférence, le rapport en pourcentage atomique Al/Nb est
compris entre 1,05 et 1,15.
Un tel rapport Al/Nb permet de conférer à l'alliage une
résistance à l'oxydation à chaud optimale.
De préférence, l'alliage peut comporter, en pourcentage
atomique, 20 % à 22 % de Nb. De telles teneurs en Nb permettent
avantageusement de conférer à l'alliage une tenue à l'oxydation, une
ductilité ainsi qu'une résistance mécanique améliorées.
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Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter, en
pourcentage atomique, 22% à 25 % d'Al. De telles teneurs permettent
avantageusement de conférer à l'alliage une tenue en fluage et à
l'oxydation améliorée.
De préférence, l'alliage peut comporter, en pourcentage
atomique, 23 % à 24 h d'Al. De telles teneurs permettent
avantageusement de conférer à l'alliage une ductilité améliorée ainsi
qu'une tenue en fluage et à l'oxydation améliorée.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter, en
pourcentage atomique, 0,1% à 2% de Si, par exemple 0,1% à 0,8% de
Si. De préférence, l'alliage peut comporter, en pourcentage atomique,
0,1% à 0,5% de Si.
De telles teneurs en Si permettent avantageusement
d'améliorer la tenue en fluage de l'alliage tout en lui conférant une bonne
tenue à l'oxydation.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter, en
pourcentage atomique, 0,8% à 3% de M. De préférence, l'alliage peut
comporter, en pourcentage atomique, 0,8 % à 2,5 % de M, de préférence
1% à 2% de M.
De telles teneurs en métal M permettent avantageusement
d'améliorer la résistance à chaud de l'alliage.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter, en
pourcentage atomique, 1% à 3% de Zr. De préférence, l'alliage peut
comporter, en pourcentage atomique, de 1 à 2% de Zr.
De telles teneurs en Zr permettent avantageusement
d'améliorer la tenue en fluage, la tenue mécanique au-delà de 400 C ainsi
que la résistance à l'oxydation de l'alliage.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut être tel que la
condition suivante soit satisfaite en pourcentage atomique : M+Si+Zr+Ta
k 0,4%, par exemple M+Si+Zr+Ta 1%.
De telles teneurs permettent avantageusement d'améliorer la
résistance mécanique à chaud de l'alliage.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut être tel que :
- la teneur, en pourcentage atomique, en Al soit comprise
entre 20% et 25%, de préférence entre 21 % et 24 /0,
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- la teneur, en pourcentage atomique, en Nb soit comprise
entre 20% et 22%, de préférence entre 21010 et 22%, le rapport en
pourcentage atomique Al/Nb étant compris entre 1 et 1,3, de préférence
entre 1 et 1,2, de préférence encore entre 1,05 et 1,15,
- la teneur, en pourcentage atomique, en M soit comprise
entre 0,8% et 3%, de préférence entre 0,8 % et 2,5 %, de préférence
encore entre 1% et 2%, et
- la teneur, en pourcentage atomique, en Zr soit comprise
entre 1% et 3%,
l'alliage étant optionnellement tel que la teneur, en pourcentage
atomique, en Si soit comprise entre 0,1 % et 2 %, par exemple entre 0,1
% et 0,8 %, de préférence entre 0,1 % et 0,5%.
Un tel alliage présente avantageusement :
- une haute résistance mécanique à 650 C en traction (R =
1050MPa ¨ R0,2 = 900MPa),
- une bonne tenue en fluage à température élevée
(allongement de 1% en 150 heures à 650 C sous une contrainte de
500MPa),
- une bonne résistance à l'oxydation à chaud, et
- une bonne ductilité à température ambiante (> 3,5%).
On donne dans le tableau 1 ci-dessous les compositions
d'exemples d'alliages Si à S12 selon l'invention. Toutes ces compositions
vérifient, en pourcentage atomique, la condition suivante Fe + Ni 5_ 400
ppm.
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TI3
Alliage Al Nb Mo Si Zr Al/Nb
densité ( C)
Si 22 25 0,88 5,29 1065
S2 22 25 0,5 0,88 5,28 1058
53 22 25 1 0,88 5,34 1055
54 22 25 1 0,5 0,88 5,34 1065
S5 24 25 0,96 5,29 1085
S6 22 20 1,10 5,09 1055
S7 22 23 1,5 0,2 0,95 5,39 1060
58 20 25 1 0,80 5,41 1025
S9 22 25 1,5 2 0,88 5,50 1025
510 20 23 2 2 0,87 5,43 1000
511 24,5 20 1,5 0,25 1,21 5,16 1105
512 23 21,5 1,5 0,25 1,3 1,07
5,30 1005
Tableau 1
L'invention vise également une turbomachine équipée d'une
pièce comportant un, notamment formée d'un, alliage tel que défini plus
5 haut. La pièce peut, par exemple, être un carter ou une pièce tournante.
L'invention vise également un moteur comportant une
turbomachine telle que définie plus haut.
L'invention vise également un aéronef comportant un moteur
tel que défini plus haut.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante, en référence aux dessins annexés, sur
lesquels :
- la figure 1 représente l'évolution de la tenue au fluage de
différents alliages à 650 C sous une contrainte de 310 MPa,
- la figure 2 représente l'influence du rapport Al/Nb sur la
tenue à l'oxydation à chaud,
- les figures 3A à 3D illustrent les résultats obtenus en termes
de propriétés mécaniques pour un alliage préféré selon l'invention.
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Exemples
Exemple 1 fabrication d'un alliage selon l'invention
A partir de matières premières constituées d'éponges de titane
et de granulés d'alliages mères, un mélange a été réalisé pour obtenir la
composition chimique S12 décrite au tableau 1 ci-dessus. Ce mélange de
poudres a ensuite été homogénéisé puis comprimé pour constituer un
compact constituant une électrode. Cette électrode a ensuite été refondue
sous vide par création d'un arc électrique entre l'électrode qui est
consommable et le fond du creuset refroidi à l'eau (procédé de refusion
par arc sous vide ou VAR pour Vacuum Arc Remelting ). Le lingot
obtenu est ensuite réduit à une barre par déformation à grande vitesse
(par forgeage au pilon ou extrusion) pour réduire la taille de grains. La
dernière étape est un forgeage isotherme de lopins découpés dans la
barre à une température juste au dessous de la température de transus 13
et à faible vitesse de déformation (quelques 10-3).
Un tel alliage de composition S12 qui contient 1,3% de
zirconium présente une très bonne résistance à l'oxydation à chaud. En
effet, cet alliage ne présente pas d'écaillage après une exposition de 1500
heures à 700 C sous air, une couche d'oxyde fine et très adhérente, donc
protectrice, composée d'alumine et de zircone étant formée. Des alliages
ne contenant pas de zirconium peuvent présenter une moins bonne
résistance à l'oxydation à chaud.
Exemple 2 amélioration de la tenue au fluage à chaud par
mise en oeuvre d'une teneur en Fe+Ni limitée
Les tenues au fluage des trois compositions d'alliage P1, P2 et
P3 détaillées dans le tableau 2 ci-dessous ont été comparées.
Composition
( /0 atomique) Ti Al Nb Mo Fe Ni
Alliage P1 55,2 23,9 20,3 0,40 0,09 0,01
Alliage P2 53,9 25,3 20,3 0,40 0,07 0,01
Alliage P3 55,5 23,8 20,3 0,40 0,01 0,02
Tableau 2
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Ces alliages comportent des éléments traces Fe et Ni qui sont
présents sous forme d'impuretés, et résultent naturellement du procédé
de fabrication. Les éléments Fe et Ni sont des impuretés provenant du
conteneur en acier inoxydable servant à l'élaboration des poudres de
titane. Il est ainsi préférable d'utiliser une poudre de titane de grande
pureté prélevée dans le centre du volume délimité par le conteneur où la
pollution venant des parois est négligeable afin d'assurer l'obtention de la
condition Fe+Ni 5_ 400 ppm. Comme représenté à la figure 1, une
amélioration de la tenue au fluage à 650 C sous une contrainte de 310
MPa est observée lorsque les teneurs en éléments traces sont réduites afin
de satisfaire à la relation Fe+Ni 400 ppm. En effet, comme représenté à
la figure 1, le fluage atteint 1% au bout de 250 heures avec un alliage
selon l'invention (P3) alors que cette valeur de fluage est atteinte
seulement au bout de 40 heures avec un alliage selon l'art antérieur (P1).
Exemple 3: amélioration de la résistance à la corrosion à chaud
par mise en oeuvre d'un rapport en pourcentage atomique Al/Nb compris
entre 1 et 1,3
On a comparé la résistance à la corrosion à chaud de divers
alliages. Les résultats sont fournis à la figure 2. Les compositions des
alliages S3, S5, S9 et S11 sont données plus haut au tableau 1.
Dans cet essai, la variation de masse suite à l'écaillage de la
surface de l'alliage est mesurée. Cet essai montre la tenue à l'oxydation
des alliages à 800 C. On constate une perte de masse liée à la
consommation du métal du fait de l'oxydation pour les alliages S3, S5 et
S9 lesquels ne présentent pas un rapport Al/Nb compris entre 1 et 1,3. En
revanche, cette perte de masse ne se produit pas pour l'alliage S11 lequel
présente un rapport Al/Nb compris entre 1 et 1,3.
Exemple 4: Comparaison des performances entre l'alliage
fabriqué à l'exemple 1 et d'autres types d'alliages
Les résultats d'essais regroupés aux figures 3A à 3D montrent
que la composition 512 présente à la fois de bons résultats en traction et
en fluage. Plus particulièrement :
- la figure 3A montre, pour différents alliages, l'évolution de la
limite d'élasticité (R0,2) en fonction de la température,
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- la figure 3B montre, pour différents alliages, l'évolution de
l'allongement à la rupture (ductilité) en fonction de la température,
- la figure 3C compare le fluage (temps pour fluage 1%) de
différents alliages à des températures de 600 et 650 C, et
- la figure 3D compare le temps de rupture en fluage de
différents alliages à des températures de 600 et 650 C.
L'expression comportant un(e) doit se comprendre comme
comportant au moins un(e) .
L'expression compris(e) entre ... et ... doit se comprendre
comme incluant les bornes.
