Étude thermodynamique, microstructurale et mécanique d’alliages concentrés complexes renforcés par précipitation pour des applications structurales à haute température

Thermodynamic, microstructural and mechanical study of complex concentrated alloys strengthened by precipitation for high temperature structural applications

• Auteur / Autrice : Thomas Rieger
• Direction : Jean-Philippe Couzinie, Mathilde Brocq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne) - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est / ICMPE
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Prima
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Couzinie, Mathilde Brocq, Florence Pettinari-Sturmel, Jacques Lacaze, Guillaume Laplanche, Frédéric De Geuser, Xavier Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Pettinari-Sturmel, Jacques Lacaze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Propriétés thermiques

Alliages

Mots clés libres

Précipitation

Coalescence

Propriétés mécaniques

Conception d'alliages

Méthode Calphad

Métallurgie

Calphad method

Mechanical properties

Precipitation

Alloy design

Metallurgy

Coarsening

Résumé

Afin d’augmenter la température de fonctionnement et donc le rendement, de nouvelles classes d’alliages métalliques sont recherchées pour les turbines à basse pression présentes dans le dernier étage des turboréacteurs. Les Alliages à Haute Entropie (AHEs) forment des solutions solides fortement substituées et sont considérés comme des candidats potentiels pour devenir la matrice d’alliages renforcés par précipitation. Ainsi, les alliages issus du système sénaire Al–Ti–Cr–Fe–Co–Ni et comportant une matrice cubique à faces centrées (cfc) et une phase ordonnée de structure L12 pourraient constituer une solution idéale. Ainsi, l’objectif de cette étude est de déterminer le rôle de la composition chimique sur la stabilité des phases et sur les propriétés à haute température des alliages cfc+L12 du système Al–Ti–Cr–Fe–Co–Ni. La finalité est de déterminer le potentiel de ces alliages à répondre au cahier des charges exigeant des pièces présentes dans les turbines à basse pression. Dans un premier temps, des calculs massifs utilisant l’approche CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) ont été effectués, permettant de mettre en lumière le rôle de chaque élément et de définir les frontières du domaine biphasé cfc+L12 dans le système sénaire. Ces calculs montrent l’importance du quaternaire Al–Ti–Co–Ni dans l’obtention de microstructures cfc+L12. A l’inverse, les additions de Cr et Fe réduisent le nombre d’alliages d’intérêt en diminuant l’étendue du domaine biphasé de manière significative et tendent à promouvoir la formation de phases indésirables. Cette première étape a permis de sélectionner huit alliages possédant la microstructure cfc+L12 désirée, qui ont ensuite été élaborés puis caractérisés. Les résultats obtenus mettent en évidence un accord satisfaisant entre les données prédites et expérimentales. Par la suite, la cinétique de coalescence des précipités ordonnés L12 dans quatre nuances a été évaluée. A ce titre, la taille moyenne des précipités ainsi que la distribution en tailles ont été mesurées à la suite de traitements thermiques à trois températures (850°C, 900°C et 950°C) pour cinq temps de traitement, de 30 minutes à 70 heures. L’analyse des résultats permet de mettre en évidence une énergie d’activation pour la coalescence élevée par rapport aux alliages standards. Finalement, les propriétés mécaniques ont été évaluées afin de mesurer le potentiel de ces matériaux concentrés complexes pour des applications aéronautiques à haute température.

In order to increase the operating temperature and the efficiency of turbomachines, new classes of metal alloys are needed. High-entropy alloys form highly substituted solid solutions and are considered as potential candidates to become the matrix of precipitation-strengthened alloys. Hence, alloys in the Al–Ti–Cr–Fe–Co–Ni senary system with both a face-centered cubic matrix (fcc) and a L12 ordered phase could be an interesting new materials solution. Thus, the objective of this study is to determine the role of chemical composition on the phase stability and on the high-temperature properties of these alloys. Ultimately, the aim is to assess the potential of theses alloys to meet the set of specifications required for moving parts in low pressure turbines. First, high-throughput calculations were carried out with the CALPHAD (Calculation of Phase Diagrams) approach to define the characteristics (role of the elements, limits, etc.) of the two-phase fcc+L12 domain in the system. These calculations evidence the importance of the Al–Co–Ni–Ti quaternary system which is found to be the key component giving rise to the fcc+ L12 two-phase region in the highest order system. Conversely, additions of Cr and Fe reduce the number of interesting alloys by significantly reducing the extent of the two-phase domain and tend to promote the formation of undesirable phases. This first step allowed the selection of eight alloys with the desired fcc+L12 microstructure, which were then prepared and characterized. The results highlight a satisfactory agreement between the predicted and experimental data. Subsequently, the coarsening kinetics of the L12 ordered precipitates were evaluated in four alloys. As such, the mean precipitate size as well as the size distribution were measured following heat treatments at three temperatures (850°C, 900°C and 950°C) for five treatment times, from 30 minutes to 70 hours. The analysis of the results reveals a high activation energy for coarsening compared to conventional alloys. Finally, the mechanical properties were evaluated in order to assess the potential of these complex concentrated materials for high-temperature aeronautics applications.