FR3030577B1 - Alliage intermetallique a base de titane - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un alliage intermétallique à base de titane comportant, en pourcentages atomiques, 16 % à 26% d'Al, 18 % à 28% de Nb, 0 % à 3% d'un métal M choisi entre Mo, W, Hf, et V, 0 % à 0,8% de Si, 0 % à 2% de Ta, 0 % à 4% de Zr, avec la condition Fe+Ni ≤ 400 ppm, le reste étant Ti.
Description
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’AI, 18 % à 28% de Nb, 0 % à 3% d’un métal M choisi entre Mo, W, Hf, et V, 0 % à 0,8% de Si, 0 % 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.
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 % 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 < 350 ppm, par exemple Fe+Ni < 300 ppm. Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut vérifier, en pourcentage atomique, la condition suivante : Fe+Ni+Cr < 350 ppm, par exemple Fe+Ni+Cr < 300 ppm. De préférence, l'alliage peut vérifier, en pourcentage atomique, la condition suivante : Fe < 200 ppm, par exemple Fe < 150 ppm, par exemple Fe < 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.
Dans un exemple de réalisation, l'alliage peut comporter, en pourcentage atomique, 22% à 25 % d'AI. 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 % d'AI. 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 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 > 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 %, - la teneur, en pourcentage atomique, en Nb soit comprise entre 20% et 22%, de préférence entre 21% 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 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 - Ro,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 < 400 ppm.
Tableau 1
L'invention vise également une turbomachine équipée d'une pièce comportant un, notamment formée d'un, alliage tel que défini plus 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.
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 β 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 œuvre d'une teneur en Fe+Ni limitée
Les tenues au fluage des trois compositions d'alliage PI, P2 et P3 détaillées dans le tableau 2 ci-dessous ont été comparées.
Tableau 2
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 < 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 (PI).
Exemple 3 : amélioration de la résistance à la corrosion à chaud par mise en œuvre d'un rapport en pourcentage atomique Ai/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 SU 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 SU 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 S12 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 (Ro,2) en fonction de la température, - 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/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 (11)
- REVENDICATIONS1. Alliage intermétallique à base de titane comportant, en pourcentages atomiques, 16 % à 26% d'AI, 18 % à 28% de Nb, 0 % à 3% d'un métal M choisi entre Mo, W, Hf, et V, 0 % à 0,8% de Si, 0 % à 2% de Ta, 1 % à 4% de Zr, avec la condition Fe+Ni < 400 ppm, le reste étant Ti, l'alliage présentant en outre un rapport en pourcentage atomique Al/Nb compris entre 1,05 et 1,15.
- 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en pourcentage atomique, 20 % à 22 % de Nb.
- 3. Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en pourcentage atomique, 23 % à 24 % d'AI.
- 4. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en pourcentage atomique, 0,1% à 0,8% de Si.
- 5. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en pourcentage atomique, 0,8% à 3% de M.
- 6. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en pourcentage atomique, 1% à 3% de Zr.
- 7. Alliage intermétallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - la teneur, en pourcentage atomique, en Al est comprise entre 20% et 25%, - la teneur, en pourcentage atomique, en Nb est comprise entre 20% et 22%, - la teneur, en pourcentage atomique, en M est comprise entre 0,8% et 3%, et - la teneur, en pourcentage atomique, en Zr est comprise entre 1% et 3%.
- 8. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la condition M+Si+Zr+Ta > 0,4% est en outre vérifiée.
- 9. Turbomachine équipée d'une pièce comportant un alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
- 10. Moteur comportant une turbomachine selon la revendication 9.
- 11. Aéronef comportant un moteur selon la revendication 10.
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