Étude expérimentale du diagramme de phases du système ternaire aluminium-titane-tungstène

par Thomas Vaubois

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Jean-Marc Joubert.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est (laboratoire) .


  • Résumé

    Les alliages intermétalliques base TiAl sont une classe émergente de matériaux structuraux. Leurs propriétés mécaniques spécifiques particulièrement élevées permettent leur emploi pour des applications aéronautiques. Du fait de leur très bonne résistance au fluage, les alliages TiAl ont récemment été introduits comme aubes de turbines basse pression dans de nouveaux moteurs aéronautiques tels que le CFM-LEAP, en substitution de superalliages base nickel, pour des applications allant jusqu'à 700°C. Toutefois, dans la mesure où le développement de nouveaux moteurs implique une élévation des températures de fonctionnement, il devient nécessaire d'identifier un moyen permettant d'élever la résistance en température de ces alliages. L'une des manières d'atteindre cet objectif est d'inclure des éléments réfractaires, tels que le tungstène, dans la composition des alliages TiAl. D'un point de vue expérimental, l'impact des ajouts de tungstène sur les propriétés des alliages TiAl a déjà été partiellement étudié et montre notamment un rôle très bénéfique sur la tenue en fluage. Cependant, le manque de données thermodynamiques limite fortement l'optimisation de tels alliages. Contrairement au système binaire Al-Ti et à certains systèmes ternaires tels que Al-Ti-Nb, le système ternaire Al-Ti-W reste assez méconnu dans la mesure où peu de données thermodynamiques ont été publiées sur ce système. Ces travaux de thèse visent à étudier expérimentalement les équilibres du système ternaire Al-Ti-W afin de déterminer son diagramme de phases. Dans le cadre de notre étude, nous avons élaboré et étudié expérimentalement un large panel de nuances binaires et ternaires afin d'être en mesure de proposer une nouvelle description complète du système ternaire. Le premier volet de l'étude a porté sur l'étude du sous-système binaire Ti-W afin de mieux comprendre son diagramme de phases. Les équilibres de phases identifiés ont permis de montrer un bon accord avec les données bibliographiques, notamment au sujet de la lacune de miscibilité de la phase cubique centrée beta. Le second volet de cette thèse a porté sur l'étude de la solidification des alliages ternaires du système Al-Ti-W. Nous avons mis en évidence, pour la gamme de compositions étudiée, la possibilité d'observer deux phases primaires de solidification distinctes à savoir beta(Ti), prédominante pour les alliages faiblement alliés en tungstène, et beta(W), prédominante pour les alliages possédant une teneur en tungstène supérieure à 10 at.%. Nous nous sommes également appuyés sur des simulations thermodynamiques de type CALPHAD afin de mieux comprendre ces processus de solidification. Les phénomènes de ségrégation chimique aux échelles microscopiques et macroscopiques ont également été quantifiés. Le dernier volet de ce travail de thèse porte sur l'étude des équilibres de phases ternaires par le biais de multiples méthodes expérimentales distinctes. La combinaison de ces résultats a permis de déterminer expérimentalement plusieurs sections isothermes du diagramme de phases.

  • Titre traduit

    Experimental determination of the phase diagram of the ternary system aluminium-titanium-tungsten


  • Résumé

    TiAl-based intermetallic alloys are an emerging class of structural materials. Their particularly high specific mechanical properties enabled their use for aeronautical applications. Because of their very good creep resistance, TiAl alloys have recently been introduced as low pressure turbine blades in new aerospace engines such as CFM-LEAP, replacing nickel-based superalloys, for applications up to 700°C. However, as the development of new engines involves a rise in operating temperatures, it becomes necessary to identify a way to increase the temperature resistance of these alloys. One way to achieve this goal is to include refractory elements, such as tungsten, in TiAl alloys. From an experimental point of view, the impact of tungsten additions on the properties of TiAl alloys has already been partially studied and a very beneficial impact on creep resistance has already been shown. However, the lack of thermodynamic data strongly hinders the optimization of such alloys. Unlike the Al-Ti binary system and some ternary systems such as Al-Ti-Nb, the Al-Ti-W ternary system remains rather unknown as only few thermodynamic data have been published up to now. The aim of this thesis is to study experimentally the equilibria of the Al-Ti-W ternary system in order to determine its phase diagram. As part of our study, we have designed and experimentally studied a wide range of binary and ternary grades in order to be able to propose a new complete description of the ternary system. The first part of the study focused on the study of the Ti-W binary subsystem in order to gain a better understanding of its phase diagram. The measured phase equilibria are in good agreement with the bibliographic data, namely concerning the miscibility gap of the body-centered cubic beta phase. The second part of this thesis was focused on the study of the solidification of ternary alloys of the Al-Ti-W system. We have established, for the range of compositions studied, the two distinct primary solidification phases , namely beta (Ti), predominant for alloys with a low tungsten content, and beta (W), predominant for alloys with a tungsten content higher than 10 at.%. We also used CALPHAD thermodynamic simulations to better understand the solidification processes. The phenomena of chemical segregation at both microscopic and macroscopic levels have also been quantified. The last part of this thesis work deals with the study of ternary phase equilibria by means of several experimental methods. The combination of these results made it possible to experimentally determine several isothermal sections of the phase diagram.