Élaboration d'un nouvel alliage de titane pour des applications aéronautiques : étude de la durabilité à haute température

par Benjamin Vincent

Projet de thèse en Chimie - Physique

Sous la direction de Luc Lavisse et de Virgil Optasanu.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (laboratoire) depuis le 01-04-2019 .


  • Résumé

    La réduction des émissions polluantes constitue un enjeu stratégique majeur pour l'industrie aéronautique. Les matériaux contribuent grandement au développement de solutions innovantes pour une aviation plus « verte ». Les besoins actuels clairement identifiés sont les suivants : augmenter les propriétés en température des matériaux et contribuer à réduire la masse totale de l'aéronef. Dans le domaine des matériaux métalliques, les alliages de titane présentent une excellente résistance mécanique spécifique et une bonne résistance à la corrosion qui les rendent particulièrement compétitifs face aux aciers et aux superalliages base nickel jusqu'à des températures de l'ordre de 550°C. On les retrouve ainsi dans les moteurs d'avion notamment pour les aubes et disques de compresseur, les carters, ainsi que dans les structures, pour les mâts réacteurs ou encore les trains d'atterrissage. L'augmentation prévue des températures de service des futures turbomachines aéronautiques va entraîner une augmentation des températures de fonctionnement entre autres au niveau du compresseur, et va se répercuter sur le mât réacteur supportant les moteurs. Les défis industriels actuels portent ainsi sur l'amélioration de la tenue en température des alliages de titane. L'objectif général est donc de maîtriser ou dépasser 650°C, avec en corollaire la nécessité de conserver, voire d'améliorer, les propriétés d'emploi spécifiques à l'application visée. L'objectif de la thèse est d'étudier le comportement d'un nouvel alliage créé à partir de l'alliage de titane 6242 en faisant varier les compositions en divers éléments d'additions. Deux phases sont prévues dans le programme de recherche Dans la première phase (1ère année), le comportement à haute température de 8 nuances d'alliages sera étudié. Cela se traduira principalement par la caractérisation, par ATG, de la cinétique de prise de masse des différentes nuances sous air et pression atmosphérique à différentes températures (550°C, 600°C et 650°C) et à des durées ne dépassant pas 1000h. Ces expériences seront suivies d'analyses (DRX, MEB, spectroscopie RAMAN et nucléaires) et d'essais mécaniques (fatigue et fluage). Elles permettront d'identifier quatre nuances qui feront l'objet d'études plus approfondies. Dans la seconde phase (2 ans), l'analyse des 4 nuances retenues portera sur de plus longues durées d'oxydation (3000h, 5000h et 10000h) sous air à 600°C, 650°C et 700°C. Partant de l'ensemble des résultats, il s'agira ensuite de proposer aux utilisateurs finaux, une nouvelle nuance d'alliage de titane qui soit un candidat sérieux pour : - étendre son utilisation jusqu'à au moins 650°C pour des pièces de structure avioniques, sans altérer les propriétés mécaniques, - identifier les processus physico-chimiques à l'origine de l'amélioration de la durabilité de cet alliage.

  • Titre traduit

    Development of a new titanium alloy for aeronautical applications: study of high temperature durability


  • Résumé

    Reducing pollutant emissions is a major strategic issue for the aviation industry. Materials contribute greatly to the development of innovative solutions for greener aviation. The current needs clearly identified are: to increase the temperature properties of the materials and to help reduce the total mass of the aircraft. In the field of metallic materials, titanium alloys have an excellent specific mechanical strength and good corrosion resistance which make them particularly competitive with nickel-based steels and superalloys up to temperatures of about 550 ° C. . They are thus found in aircraft engines, particularly for compressor blades and discs, casings, as well as in structures, for engine masts or landing gear. The expected increase in service temperatures of future aerospace turbomachines will lead to an increase in operating temperatures, among others in the compressor, and will be reflected in the engine-supporting engine pylon. The current industrial challenges thus relate to improving the temperature resistance of titanium alloys. The general objective is therefore to control or exceed 650 ° C, with the consequent need to maintain or improve the specific application properties of the intended application. The aim of the thesis is to study the behavior of a new alloy created from titanium alloy 6242 by varying the compositions into various additive elements. Two phases are planned in the research program In the first phase (1st year), the high temperature behavior of 8 alloy grades will be studied. This will mainly result in the characterization, by ATG, of the kinetics of mass gain of different grades under air and atmospheric pressure at different temperatures (550°C, 600°C and 650°C) and durations not exceeding 1000h. These experiments will be followed by analyses (XRD, SEM, RAMAN spectroscopy and nuclear) and mechanical tests (fatigue and creep). They will identify four nuances that will be the subject of further study. In the second phase (2 years), the analysis of the 4 selected grades will relate to longer oxidation times (3000h, 5000h and 10000h) under air at 600°C, 650°C and 700°C. Based on all the results, it will then be a question of offering end-users a new grade of titanium alloy that is a serious candidate for: - extend its use to at least 650°C for avionics structural parts, without altering the mechanical properties, - to identify the physicochemical processes at the origin of the improvement of the durability of this alloy.