Quels sont les systèmes en alliage de titane utilisés dans l'aérospatiale ?

Le développement des alliages de titane a débuté dans le secteur aéronautique et a évolué pour répondre à la demande de l'industrie en structures plus légères, plus résistantes et capables de supporter des températures plus élevées. Les systèmes aérospatiaux en titane peuvent être classés en quatre catégories : les alliages à haute résistance et haute ténacité, les alliages résistants aux hautes températures, les alliages résistants à la combustion et les composites à matrice de titane.

Alliages de titane à haute résistance et haute ténacité

Alliages présentant une résistance à la traction supérieure à 1 000 MPa et une ténacité à la rupture supérieure à 55 MPa·m^1/2 sont généralement considérés ici comme des alliages de titane à haute résistance et haute ténacité. Le système Ti-Al-Mo-V-Cr est l’un des principaux. Le Ti-1023 a été utilisé dans le train d’atterrissage du Boeing 777 et dans les jambes du train d’atterrissage principal de l’A380 ; le Timetal 555 a été utilisé pour le train d'atterrissage et les poutres de bogie du Boeing 777. Le BT22 russe a été utilisé dans des composants de cellule et de train d'atterrissage soumis à de fortes contraintes sur des appareils tels que le Su-27 et l'Il-76.

L'alliage Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al utilise du Mo, du V et du Cr pour stabiliser la phase bêta. L'augmentation de ces ajouts peut améliorer la ductilité ; après traitement thermique, la résistance à la traction peut atteindre 1 100 à 1 200 MPa. Il présente une bonne formabilité à froid après traitement de mise en solution et un bon équilibre résistance-ductilité après traitement de mise en solution et vieillissement. Le Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al contient moins de Cr et présente une teneur en stabilisateurs de la phase bêta proche de la concentration critique, combinant ainsi les caractéristiques des alliages alpha-bêta et bêta métastables. Après traitement thermique, il peut atteindre une résistance à la traction de 1 110 MPa et une énergie de rupture de 70,5 MPa·m.^1/2 résistance à la rupture des structures aérospatiales.

Alliages de titane résistants aux hautes températures

Les alliages de titane résistants aux hautes températures constituent des matériaux essentiels pour les moteurs d'avion. Le Ti-6Al-4V, premier alliage largement utilisé, fonctionne à des températures comprises entre 300 et 350 °C et allie résistance à chaud, ductilité, ténacité, formabilité et biocompatibilité. Des alliages plus récents, tels que l’IMI550, le BT3-1 et l’IMI685, ont permis d’améliorer la résistance à la traction et au fluage, et de porter la température de service à près de 400 °C. Les ajouts de silicium et le développement des alliages Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si ont conduit à la création de l’IMI834, du Ti-1100, du BT36 et d’autres alliages renforcés en partie par la phase alpha₂. L'IMI834, largement utilisé au Royaume-Uni et dans les moteurs Trent 700, atteint environ 600 °C.

Alliages américains représentatifs

Alliages représentatifs du Royaume-Uni

Alliages russes et chinois représentatifs

En dessous de 600 °C, ces alliages peuvent surpasser l'acier de construction, l'aluminium et les superalliages au nickel en termes de résistance spécifique, de résistance spécifique au fluage et de résistance spécifique à la fatigue. Remplacer le nickel par du titane, à résistance et capacité de service égales, permet de réduire la masse d'un facteur d'environ 1,7. Les moteurs à rapport poussée/poids élevé nécessitent également des blisks, des blings, des structures soudées et du Ti₂AlNb, TiAl et composites de titane renforcés de fibres.

À Mach 6, la température à la surface d'un avion peut dépasser 650 °C, ce qui accroît la demande en revêtements, structures, moteurs et composants de cellule résistants à la chaleur. Le développement vise donc la résistance au fluage, la durée de vie en rupture, la résistance à la fatigue, la stabilité thermodynamique, la résistance à l'oxydation et la résistance à la corrosion sous contrainte thermique.

La température de service à long terme est passée d'environ 350 °C pour le Ti-6Al-4V à environ 600 °C. Cette valeur est souvent considérée comme la barrière thermique pour les alliages de titane conventionnels, ce qui confère une importance particulière, au-delà de cette limite, aux composites à base de titane (TiAl) et aux composites de titane renforcés par des fibres de carbure de silicium. Les concepts d’alliages à 650 °C rapportés ajoutent de l’Hf, du Nb et du Ta aux systèmes Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si. Les ajouts de terres rares doivent rester inférieurs à 0,1 at.% ; des ajouts plus importants nécessitent un procédé de métallurgie des poudres à solidification rapide. Une structure entièrement lamellaire nécessite un traitement thermique bêta.

Alliages de titane résistants à la combustion

Le titane représente aujourd’hui environ un tiers de la masse structurelle de nombreuses turbines à gaz modernes, mais les alliages courants peuvent s’enflammer sous l’effet d’une combinaison de température, de pression, de flux d’air et de frottement. Un incendie peut évoluer d’une combustion localisée à l’extrémité d’une aube ou sur le bord de fuite à une perforation complète du carter à 360° en seulement 4 à 20 secondes.

Les alliages résistants à la combustion empêchent l'inflammation ou la propagation des flammes. L'alliage C (Ti-35V-15Cr) est utilisé dans les aubes de stator, les bagues intérieures et les volets de tuyère du compresseur haute pression du moteur F119. L'alliage C+ contient du silicium (Si) et du carbone (C) pour améliorer la résistance au fluage. Le Ti40 (Ti-25V-15Cr-0,2Si) est conçu pour un fonctionnement à long terme à environ 500 °C, mais perd sa résistance au fluage au-delà de 510 °C et ne doit pas être soumis à des températures supérieures à 520 °C. Le TF550, à base de Ti-35V-15Cr-Si-C, présente une densité de 5,33 g/cm³ et un comportement de fluage et de rupture intéressant à 550 °C.

Systèmes Ti-V-Cr

Le V et le Cr peuvent former un oxyde protecteur dense avant la combustion, réduire le dégagement de chaleur par les produits volatils, abaisser la température de fusion et améliorer la diffusion de la chaleur. L'alliage C est un alliage bêta dont la composition nominale est de 50Ti-35V-15Cr et dont la densité est d'environ 5,34 g/cm³. L'alliage C+ est du Ti-35V-15Cr-0,6Si-0,05C. Ces systèmes restent coûteux, difficiles à fondre et peu conducteurs en dessous de leur point de fusion ; la conductivité thermique du Ti40 n'augmente que de deux à trois fois à proximité ou au-dessus de son point de fusion, de sorte que la dissipation rapide de la chaleur ne peut à elle seule expliquer la résistance à la combustion.

Systèmes Ti-Al-Cu

Les alliages Ti-Cu forment un Ti à bas point de fusion₂Le cuivre est liquide à environ 990 °C. La fusion absorbe de la chaleur et la lubrification par le liquide réduit les frottements et la production de chaleur. L’alliage russe BTT-1 (Ti-13Cu-4Al-4Mo-2Zr) est utilisable jusqu’à environ 450 °C et se prête bien au formage à chaud pour des pièces complexes. Le BTT-3 (Ti-18Cu-2Al-2Mo) présente une meilleure ductilité et une meilleure résistance à la combustion ; il convient à la fabrication de tôles et de feuilles, mais ces deux alliages ont une ténacité limitée, se fissurent facilement et peuvent présenter un retrait lors de la fusion.

Systèmes Ti-Nb

Le Ti-45Nb de qualité commerciale est utilisé dans la fabrication des autoclaves. Lors d'essais d'inflammabilité par traction en surcharge, il ne s'est pas enflammé dans de l'oxygène pur à 250 °C et 3,1 MPa et a également fait preuve d'une bonne résistance à la corrosion, bien que sa densité élevée limite son utilisation.

Composés intermétalliques de TiAl

Les composés intermétalliques TiAl allient une faible densité, un module élevé, une résistance à l'oxydation et une résistance à la combustion, avec une température maximale d'utilisation pouvant atteindre 1 040 °C selon certaines sources ; toutefois, leur fragilité à température ambiante rend leur mise en œuvre difficile. Le système Ti-Al comprend le Ti₃Al, TiAl et TiAl₃. Entre 700 et 850 °C, le TiAl présente une résistance spécifique supérieure à celle du titane et des superalliages de nickel classiques, ainsi qu'une rigidité spécifique supérieure d'environ 50% à celle des matériaux de structure couramment utilisés dans les moteurs.

Les aubes en Gamma-TiAl mises au point par GE ont remplacé les aubes en superalliage de nickel dans les étages 6 et 7 de la turbine basse pression du moteur GEnx équipant le Boeing 787, permettant ainsi de réduire la masse de pas moins de 72,5 kg. Le Nb-TiAl a également été utilisé dans les turbocompresseurs automobiles et fait actuellement l'objet de développements pour des structures fonctionnant à des températures comprises entre 700 et 900 °C.

Composites à matrice de titane

Les composites à matrice de titane renforcés de fibres de SiC continues utilisent des fibres de SiC à âme de tungstène ou de carbone dans des matrices de titane ou de TiAl. Ils allient une résistance et une rigidité spécifiques élevées, une faible densité, une résistance au fluage et à la fatigue, ainsi qu'une capacité de fonctionnement de 600 à 800 °C pendant de longues périodes et de 1 000 °C pendant de courtes durées. Un anneau à aubes intégrées permet de réduire la masse du compresseur d'environ 70% par rapport à des aubes et un disque séparés.

SiC_f/Le Ti est anisotrope : sa résistance à la traction longitudinale peut être plus de deux fois supérieure à celle de la matrice, tandis que sa résistance transversale peut n'atteindre que la moitié de celle-ci. Ces propriétés conviennent aux pièces soumises à des charges directionnelles, telles que les aubes, les arbres de turbine, les tirants, les tiges de piston, les revêtements et les ressorts.

Le pressage isostatique à chaud ou le pressage sous vide à chaud doivent permettre de maîtriser la réaction d'interface, la densification du fil précurseur et le soudage par diffusion avec l'enveloppe. Les propriétés des fibres, les revêtements, la qualité du précurseur, la mise en couches, le formage et l'usinage ont tous une incidence sur le comportement final. SiC à matrice Ti-1100_f/Les températures des Ti blings auraient atteint 700 à 800 °C, avec une réduction de la masse structurelle d'environ 50%.

Perspectives

Les futurs systèmes aérospatiaux doivent présenter une résistance mécanique, une ténacité, une tolérance aux dommages, une résistance aux variations de température et une résistance à l'oxydation accrues, tout en étant moins coûteux. Parmi les priorités figurent les alliages tolérants aux dommages, les alliages structurels résistants à la fatigue, les matériaux TiAl avancés et les composites à matrice de titane obtenus par solidification rapide, par métallurgie des poudres ou par renforcement par des fibres et des particules.

Le développement des composites nécessite encore des progrès en matière de stabilité, de données fiables sur les propriétés d’un point de vue statistique, de caractérisation des propriétés, de prévision des défaillances et de la durée de vie, de contrôle non destructif à l’échelle microscopique, de contrôle de la concentricité des procédés, de critères de conception, de méthodes de qualification, de lots stables de fibres et de matrices, de revêtements résistants aux hautes températures, d’efficacité de production et de spécifications des composants.