FR3027921A1 - Alliages a base de titane presentant des proprietes mecaniques ameliorees - Google Patents

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Beatrice Peltier
Cedrik Brozek
Yvon Millet
Frederic Prima
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Safran Aircraft Engines SAS
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Timet Savoie SA
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Abstract

Alliages à base de titane présentant des propriétés mécaniques améliorées La présente invention concerne un alliage à base de titane dans lequel un ou plusieurs éléments d'addition sont présents, l'alliage vérifiant les conditions suivantes : - 10 ≤ MOéq ≤ 14,5, - 2,77 < Bo < 2,80, et - 2,34 eV < Md < 2,38 eV, où Moéq désigne la teneur massique en éléments bêtagènes dans l'alliage en équivalent molybdène, où ei désigne le nombre d'électrons de valence de l'élément d'addition i, ai désigne le rayon atomique de l'élément d'addition i et xi désigne la fraction molaire de l'élément d'addition i dans l'alliage, la somme étant effectuée sur l'ensemble des éléments d'addition présents dans l'alliage, Bo désigne d'indice de liaison moyen des liaisons covalentes entre le titane et les éléments d'adition et Md désigne le niveau d'énergie moyen en eV des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes entre le titane et les éléments d'adition.

Description

2 7 9 2 1 1 Arrière-plan de l'invention L'invention concerne de nouveaux alliages de titane présentant des propriétés mécaniques améliorées. Les alliages de titane commerciaux peuvent présenter à température ambiante un écrouissage faible voire nul ainsi qu'une ductilité relativement faible (de 10 à 15% en moyenne). Ce type de comportement est lié aux modes de durcissement des alliages de titane connus qui permettent d'obtenir de bonnes propriétés en termes de résistance mécanique mais, en contrepartie, peuvent limiter les capacités de déformation du matériau et, en conséquence, conduire à de faibles ductilités. Les alliages de titane connus ne constituent donc pas des matériaux optimaux pour réaliser des pièces devant subir potentiellement de grandes déformations tout en conservant des propriétés statiques de bon niveau comme par exemple des carters qui doivent assurer la rétention d'objets en cas d'ingestion ou d'éclatement de pièces. Certains des alliages de titane connus peuvent, par conséquent, être écartés de ce type d'applications au profit d'aciers sensiblement plus lourds. Il existe donc un besoin pour disposer de nouveaux alliages de titane présentant un écrouissage ainsi qu'une ductilité élevés.
Objet et résumé de l'invention A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un alliage à base de titane dans lequel un ou plusieurs éléments d'addition sont présents, l'alliage vérifiant les conditions suivantes : - 4,10 sts 4,16, - 10 s Moég s 14,5, - 2,77 Bo 2,80, et - 2,34 eV Md 2,38 eV, OÙ Moég désigne la teneur massique en éléments bêtagènes dans l'alliage en équivalent molybdène, 302 7 9 2 1 2 5- = où ei désigne le nombre d'électrons de valence de l'élément a ai d'addition i, ai désigne le rayon atomique de l'élément d'addition i et xi désigne la fraction molaire de l'élément d'addition i dans l'alliage, la somme étant effectuée sur l'ensemble des éléments d'addition présents 5 dans l'alliage, Bo désigne l'indice de liaison moyen des liaisons covalentes entre le titane et les éléments d'addition et Md désigne le niveau d'énergie moyen en eV des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes entre le titane et les éléments d'addition. Par « alliage à base de titane », il faut comprendre que le titane 10 constitue le métal de base de l'alliage, c'est-à-dire que l'alliage comporte du titane en une teneur massique supérieure ou égale à 50%, par exemple supérieure ou égale à 60%, par exemple supérieure ou égale à 70%, par exemple supérieure ou égale à 80%. La grandeur Moég est donnée par l'équation suivante : Moég = 15 moizi où zi désigne la fraction massique dans l'alliage de l'élément d'addition i et Moi correspond au rapport (caractère bétagène de l'élément d'addition i)/(caractère bétagène de Mo), la somme étant effectuée sur l'ensemble des éléments d'addition présents dans l'alliage. Ainsi, la somme porte à la fois sur les éléments d'addition bétagènes mais aussi sur les 20 éléments d'addition alphagènes éventuellement présents dans l'alliage, ces derniers ayant un coefficient Moi négatif. Pour chacun des éléments d'addition, les grandeurs Moi et e1/a1 sont tabulées. Le tableau 1 ci-dessous donne les valeurs de ces grandeurs pour quelques exemples d'éléments d'addition. 25 Al Cr Mo, 1 -0,33 + 1,60 + 0,67 3 4 6 5 Tableau 1 Bo quantifie la force de cohésion moyenne des liaisons 30 covalentes entre le titane et les éléments d'addition. Plus précisément, la grandeur Bo est calculée de la manière suivante : Bo =EBoixi où xi 302 7 9 2 1 3 désigne la fraction molaire de l'élément d'addition i dans l'alliage, la somme portant sur l'ensemble des éléments d'addition. Les valeurs Bol sont tabulées et sont données pour différents éléments d'addition dans le tableau 2 ci-dessous. Md désigne le niveau d'énergie moyen des orbitales 5 d correspondant aux liaisons covalentes résultant de l'interaction entre le titane et les éléments d'addition. Plus précisément, la grandeur Md est calculée de la manière suivante : Md = Md i xi où xi désigne la fraction molaire de l'élément d'addition i dans l'alliage, la somme portant sur l'ensemble des éléments d'addition. Les valeurs Mdi sont tabulées et sont 10 données pour différents éléments d'addition dans le tableau 2 ci-dessous. Al Sn Cr V 0; 2,43 2,28 2,78 2,81 Md; 2,20 2,10 1,48 1,87 Tableau 2 15 Les paramètres Moécl, Bo et Md sont connus de la littérature. En particulier, diverses publications détaillent le calcul des paramètres Bo et Md. A ce titre, on peut par exemple citer la publication Abdel-Hady et al. « General approach to phase stability and elastic properties of ,6-type Ti-alloys using electronic parameters», Scripta Materialia 55 (2006) 477- 20 480, la publication Marteleur et al. «On the design of new /3 -metastable titanium alloys with improved work hardening rate thanks to simultaneous TRIP and 71A/IP effects », Scripta Materialia 66 (2012) 749-752 et la publication Sun et al. «Investigation of early stage deformation mechanisms in a metastable /3-titanium alloy showing combined twinning- 25 induced plasticity and transformation-induced plasticity effects », Acta Materialia 61(2013) 6406-6417. Sauf mention contraire, dans les formules chimiques d'alliages utilisées dans la suite, le nombre situé devant un élément chimique est la teneur massique en % de cet élément dans l'alliage. Par exemple, l'alliage 30 Ti-8,5Cr-1,5A1 est un alliage à base de titane comportant du Cr en une 302 7 9 2 1 4 teneur massique égale à 8,5% et du Al en une teneur massique égale à 1,5%. Les alliages selon l'invention présentent avantageusement un écrouissage élevé, une charge à rupture élevée ainsi qu'une bonne 5 ductilité. Le choix des plages de paramètres explicitées plus haut permet de durcir l'alliage et d'activer des modes de déformation permettant d'obtenir une ductilité élevée en faisant intervenir des mécanismes de maclage (« twinning ») et de transformation de phasep en phase a. Dans les alliages selon l'invention, une combinaison d'un effet 10 de plasticité induite par maclage (effet « TWIP» : « Twinning Induced Plasticity ») et d'un effet de plasticité induite par transformation de phase (effet « TRIP » : « Transformation Induced Plasticity ») est avantageusement activée. L'invention résulte dans le choix d'alliages particuliers définis à l'aide des paramètres décrits plus haut permettant à 15 la fois d'activer un mécanisme de transformation martensitique ainsi que des mécanismes de maclage et de glissement. Grâce à l'activation de ces phénomènes, les alliages selon l'invention peuvent notamment présenter des ductilités de l'ordre de 40% tout en conservant des limites d'élasticité élevées (au-delà de 500MPa). 20 De telles performances sont en rupture technologique par rapport aux performances des alliages de titane connus. Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter au moins un élément d'addition choisi dans la liste suivante : Cr, Al, Sn et V. Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter du Cr 25 et du Al comme éléments d'addition. Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter du Cr et du Sn comme éléments d'addition. Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter du V et du Al comme éléments d'addition. 30 L'alliage peut être un alliage binaire ou un alliage ternaire. De préférence, l'alliage peut constituer un alliage ternaire Ti-Cr-Al ou Ti-CrSn. L'alliage peut encore constituer un alliage ternaire Ti-V-Al. L'alliage peut encore être un alliage quaternaire, comme par exemple l'alliage Ti- 10V-4Cr-lAl.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter du Cr et du Al comme éléments d'addition et la teneur massique en Cr dans l'alliage peut être comprise entre 6% et 9% et la teneur massique en Al dans l'alliage peut être comprise entre 1% et 3%. En particulier, l'alliage peut avoir la formule chimique suivante : Ti-xCr-yAl où x est compris entre 6 et 9 et y est compris entre 1 et 3.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter du Cr et du Sn comme éléments d'addition et la teneur massique en Cr dans l'alliage peut être comprise entre 6% et 9% et la teneur massique en Sn dans l'alliage peut être comprise entre 1% et 5°/0. En particulier, l'alliage peut avoir la formule chimique suivante : Ti-x'Cr-zSn où x' est compris entre 6 et 9 et z est compris entre 1 et 5. L'alliage selon l'invention peut, en particulier, avoir l'une des formules chimiques suivantes : - Ti-8,5Cr-1,5A1, Ti-8,5Cr-1,5Sn, Ti-7,5Cr-1A1, - Ti-7,5Cr-2A1, Ti-9,5Cr-2A1, Ti-7Cr-2Sn, ou Ti-13V-2,5A1.
La présente invention vise également une turbomachine comportant une pièce comportant un alliage tel que défini plus haut. Ladite pièce peut être formée d'un alliage tel que défini plus haut. De préférence, la pièce est un carter de turbomachine.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 et 2 représentent des diagrammes électroniques montrant le positionnement d'exemples d'alliages selon l'invention, - la figure 3 montre l'effet « TRIP » dans lequel il y a phénomène de transformation d'une phase 13 en une phase a" dans un alliage selon l'invention Ti-8,5Cr-1,5A1, 302 7 9 2 1 6 - Les figures 4A et 4B sont des photographies montrant le phénomène de maclage dans un alliage selon l'invention Ti-8,5Cr-1,5Sn, et - les figures 5 et 6 représentent des résultats d'essais en 5 traction d'alliages selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation Les figures 1 et 2 sont des diagrammes électroniques sur lesquels des alliages de titane ont été positionnés. Ces diagrammes 10 électroniques indiquent les mécanismes de déformations mis en oeuvre lorsque l'alliage est soumis à une contrainte. Bo est représenté en ordonnée des diagrammes électroniques des figures 1 et 2. Comme mentionné plus haut, Bo quantifie la force de cohésion moyenne des liaisons covalentes entre le titane et les éléments 15 d'addition. Md est représenté en abscisse des diagrammes électroniques des figures 1 et 2. Comme mentionné plus haut, Md désigne le niveau d'énergie moyen des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes résultant de l'interaction entre le titane et les éléments d'addition. 20 Les diagrammes électroniques fournis aux figures 1 et 2 indiquent diverses régions correspondant aux différents mécanismes de déformation mis en oeuvre : glissement (« slip »), maclage (« twin ») et transformation martensitique (« SIM Transformation » : « Stress Induced Martensitic Transformation »). 25 Quelques exemples d'alliages selon l'invention sont, comme illustré, positionnés sur les diagrammes électroniques des figures 1 et 2 dans la zone correspondant à l'activation de phénomènes de maclage. On peut par exemple avoir : 2,77 Bo 2,79 et 2,34 eV Md 5_ 2,38 eV pour les alliages selon l'invention. 30 La figure 3 est une photographie montrant l'obtention, dans un alliage selon l'invention, d'une phase a" à partir d'une phase I (activation du mécanisme de transformation d'une phase 13 en une phase a" lors de l'application d'une contrainte). L'activation d'une telle transformation de phase participe avantageusement à l'obtention d'une ductilité élevée. Les figures 4A et 4B montrent, quant à elles, l'activation d'un phénomène de maclage obtenu dans un alliage selon l'invention qui participe aussi à l'obtention d'une ductilité élevée. La figure 5 montre des résultats d'essais de traction obtenus pour un alliage Ti-8,5Cr-1,5A1. Pour cet alliage, on a : e/a = 4,129 et Moéq = 12,1. Cet alliage présente une ductilité élevée de l'ordre de 40%, une charge à rupture de 1150 MPa et conserve une limite d'élasticité élevée. Des résultats similaires sont obtenus pour l'alliage Ti-8,5Cr-1,5Sn pour lequel on a : Moeq = 13,6 et e/a = 4,16 (voir figure 6). Les essais de traction effectués ont été réalisés à température ambiante à une vitesse de déformation de 10-3 s-1 sur des éprouvettes de 50 mm de long, 0,5 mm d'épaisseur et 5 mm de largeur. Exemple Un lingot d'alliage Ti-8,5Cr-1,5A1 a été fabriqué en compactant les éléments éponge de titane, chrome en grains et aluminium en poudre puis en utilisant la technique de fusion à l'arc. Dans le mélange compacté, les teneurs massiques suivantes ont été respectées : Ti à 90% en masse, Cr à 8,5% en masse et Al à 1,5% en masse. Ce lingot a ensuite été déformé pour obtenir une tôle de 0,5 mm d'épaisseur. Cette tôle a été traitée thermiquement à 900°C dans le domaine bêta suivi d'un refroidissement rapide. Des éprouvettes de traction plates ont été découpées dans cette tôle et ont été utilisées dans le cadre de l'essai en traction décrit plus haut en lien avec la figure 5.
L'expression « comportant/contenant un(e) » doit se comprendre comme « comportant/contenant au moins un(e) ». L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS1. Alliage à base de titane dans lequel un ou plusieurs éléments d'addition sont présents, l'alliage vérifiant les conditions suivantes : - 4,10 s-!s 4,16, a - 10 s MOég s 14,5, - 2,77 5 Bo 5 2,80, et - 2,34 eV 5 Md 5 2,38 eV, OÙ Moég désigne la teneur massique en éléments bêtagènes dans l'alliage en équivalent molybdène, 10 5-= 51 xi où ei désigne le nombre d'électrons de valence de a ai l'élément d'addition I, ai désigne le rayon atomique de l'élément d'addition i et xi désigne la fraction molaire de l'élément d'addition i dans l'alliage, la somme étant effectuée sur l'ensemble des éléments d'addition présents dans l'alliage, Bo désigne l'indice de 15 liaison moyen des liaisons covalentes entre le titane et les éléments d'addition et Md désigne le niveau d'énergie moyen en eV des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes entre le titane et les éléments d'addition.
  2. 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au 20 moins un élément d'addition choisi dans la liste suivante : Cr, Al, Sn et V.
  3. 3. Alliage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte du Cr et du Al comme éléments d'addition.
  4. 4. Alliage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte du 25 Cr et du Sn comme éléments d'addition.
  5. 5. Alliage selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il constitue un alliage ternaire Ti-Cr-Al.. Alliage selon l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisé en ce qu'il constitue un alliage ternaire Ti-Cr-Sn. 7. Alliage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la teneur massique en Cr dans l'alliage est comprise entre 6% et 9% et la teneur massique en Al dans l'alliage est comprise entre 1% et 3%. 8. Alliage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la teneur massique en Cr dans l'alliage est comprise entre 6% et 9% et la teneur massique en Sn dans l'alliage est comprise entre 1% et 5%. 9. Turbomachine comportant une pièce comportant un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10.Turbomachine selon la revendication 9, caractérisée en ce que la pièce est un carter de turbomachine. 20 25 30
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