Les exigences économiques et écologiques de ces dernières décennies ont contraint les constructeurs aéronautiques à poursuivre les efforts pour alléger les aéronefs. L’utilisation de matériaux composites et d’alliages de titane pour les matériaux de structures a permis de diminuer la masse des nouveaux appareils en service. Les défis actuels sont focalisés sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre par l’augmentation des performances des moteurs. Ceci se traduit par des températures plus élevées pour les pièces proches du moteur, qui se retrouvent dans des environnements oxydants et sous de plus fortes sollicitations thermomécaniques. Les alliages de titane sont de très bons candidats du fait de leurs propriétés mécaniques spécifiques élevées. Ces alliages sont néanmoins limités à des températures inférieures à 550 °C en raison de faibles résistances à l’oxydation et au fluage. L’un des axes d’amélioration de la résistance à l’oxydation d’alliages de titane est de diminuer la dissolution et la diffusion de l’oxygène dans le métal, qui le fragilise à partir d’environ 1 % atomique, contre une limite de solubilité pouvant atteindre 33 %. Pour ce faire, il a été décidé d’étudier expérimentalement et par modélisation à l’échelle atomique les effets des éléments d’alliage sur le comportement en oxydation d’alliages modèles binaires et ternaires de titane. Les éléments d’alliages réfractaires (W, Ta et Hf) ont été sélectionnés pour une possible amélioration à la résistance en fluage. L’aluminium a été ajouté à l’étude pour sa présence dans de nombreux alliages commerciaux. Expérimentalement, la caractérisation du comportement en oxydation sous air à 650 °C jusqu’à 5000 heures a mis en évidence que tous les éléments d’alliage étudiés diminuent la cinétique d’oxydation, le tungstène étant l’élément le plus efficace. Le ternaire Ti-10Al-2W (% at.) résiste mieux à l’oxydation que le Ti6242S. Ces éléments d’alliage diminuent tous la cinétique de croissance de la couche d’oxyde, mais seuls l’aluminium et le tungstène diminuent la dissolution d’oxygène dans le métal. L’aluminium diminue le coefficient de diffusion de l’oxygène d’un facteur 3 par rapport au titane pur, alors que la concentration d’oxygène à l’interface métal/oxyde chute à 10 % atomique en présence de tungstène. Cette diminution est liée à la présence d’une couche continue de nitrure de titane Ti2N. La modélisation à l’échelle atomique a permis de démontrer le caractère de barrière de diffusion à l’oxygène de la couche de nitrure de titane. Des essais d’oxydation en deux temps (air puis oxygène et réciproquement) ont montré que la cinétique de croissance de la couche d’oxyde est contrôlée par le flux d’azote à travers la couche de nitrure quand celle-ci est continue. Des observations en MET et EBSD ont permis de proposer des mécanismes de formation des nitrures qui diffèrent entre l’alliage Ti6242S et le ternaire Ti-10Al-2W. |
Economic and environmental requirements of recent decades have compelled aircraft manufacturers to focus on lightening aircraft. The use of composite materials and titanium alloys for structural components has helped decrease the weight of new aircraft in service. Current challenges are centered on decreasing greenhouse gas emissions by improving engine performance, which leads to higher temperatures for parts located near the engine, exposing them to oxidizing environments and greater thermomechanical stresses. Titanium alloys are excellent candidates due to their high specific mechanical properties. However, their use is limited to temperatures below 550 °C due to insufficient oxidation and creep resistance at higher temperature. One of the approaches to improving the oxidation resistance of titanium alloys is to reduce oxygen dissolution and diffusion into the metal. Indeed, oxygen causes embrittlement when its concentration exceeds 1 atomic %, which is significantly lower than the solubility limit of 33 %. To address this, an experimental and atomic-scale modeling study was conducted on the effects of alloying elements on the oxidation behavior of binary and ternary model titanium alloys. Refractory alloying elements (W, Ta and Hf) were selected for their potential to enhance creep resistance. Aluminum was also included in the study due to its presence in many commercial alloys. Experimentally, oxidation behavior in air at 650 °C was characterized up to 5000 hours, revealing that all the studied alloying elements decreased the oxidation kinetics, with tungsten being the most effective. The ternary alloy Ti-10Al-2W (at. %) exhibited better oxidation resistance than Ti6242S. While all the alloying elements decreased the growth rate of the oxide layer, only aluminum and tungsten slowed down oxygen dissolution in the metal. Aluminum lowered the oxygen diffusion coefficient by a factor of 3 compared to pure titanium, while the oxygen concentration at the metal/oxide interface dropped to 10 atomic % in the presence of tungsten. This reduction was attributed to the formation of a continuous titanium nitride (Ti2N) layer. Atomic-scale modeling showed that the titanium nitride layer acts as an oxygen diffusion barrier. Two-step oxidation tests (air followed by oxygen and vice versa) showed that the oxide layer growth rate is controlled by the nitrogen flux when the nitride layer is continuous. TEM and EBSD observations led us to propose mechanisms for nitride formation, which differ between Ti6242S and the ternary Ti-10Al-2W alloy. |