Métallurgie des ailettes de turboreacteur

[Yvan_Delaserge]

Bonjour.
En regardant divers documentaires sur la fabrication des ailettes de turboreacteur, on apprend qu'elles sont fabriquées en alliage de titane et qu'elles contiennent aussi du nickel, entre autres.
D'un autre côté, on nous dit aussi qu'il est essentiel que le métal présente une solidité maximale. Un métal conventionnel est forme d'un aggregat de cristaux. Les cristaux ont une soliidite maximale, mais c'est toujours entre les cristaux qu'apparaissent les fractures du metal.
Toujours selon lesdits documentaires, c'est pour cette raison que le métal dont sont faites les ailettes presente une structure monocristalline. Cela est obtenu par des procedes de fabrication top secret.

J'en viens donc à ma question: Comment peut-on parler de monocristal, si le métal est un alliage?
Les atomes de titane et ceux de nickel ont des dimensions très différentes. Comment les atomes de ces deux métaux pourraient-ils s'aligner pour former la structure reguliere d'un monocristal tout au long d'une ailette de plus d'une dizaine de centimetres de longueur?
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[40CDV20]

Bjr,
En fait il n'y a guère de secrets là-dedans, on peut même dire que ce superalliage est en bout de développement. Ce qui demeure brevetable c'est la phase de cristallisation et de croissance, un peu comme le démarrage du cristal de concours de CuSO4 des lycéens.
Pour faire court, faute de schémas ou de clichés on en est réduit à une rédaction en collant de près à la terminologie. On distingue trois situations, le polycristallin, le colonnaire et le monocristal. En polycristallin chaque grain est un monocristal, l'orientation du réseau cristallin propre à chaque grain. En colonnaire l'orientation est unique et choisie pour optimiser la performance. En monocristallin le matériau n'est constitué que d'un seul cristal. S'il s'agit de métaux purs, le matériau est iso-structure et iso-composition. Dans ce cas le matériau est dit monophasé et on distingue le monocristal et le polycristal monophasé.
Dans la majorité des situations (les alliages), selon la composition et la température, le matériau est dit mono (un élément d'addition) ou polyphasé (à minima deux éléments d'addition), chaque ensemble de cristaux de même composition et structure formant une phase distincte.
A l'état solide on distingue les composés définis (sortes de molécules remarquables, je n'est pas souvenir qu'il en existe une composée de Ti-Ni ?) et les solutions solides. Dans celles ci les atomes de X peuvent entrer en solution dans ceux de Y. On va distinguer deux situations, la solution solide d'insertion (limitée aux atomes de faible encombrement) et la solution solide de substitution. C'est la situation dominante, majoritairement la substitution se fait au hasard mais peut également se faire sur des sites particuliers.
Globalement on va distinguer trois solutions solides, la pagaille, l'ordonnée (reproductible) et l'ordonnée en présence d'un composé défini (également reproductible)
Cdt

[ecolami]

Très intéressant!

[Yvan_Delaserge]

Merci 40cdv20.
Donc c'est clair, on ne peut pas parler de monocristal dans le cas d'un alliage!


Et donc si l'on admet que titane er nickel sont en solution d'un métal dans l'autre, comment peut-on obtenir que tous les atomes s'alignent d'un bout à l'autre de l'ailette?
Chauffer pour mettre le métal en fusion et appliquer un champ magnétique?
Mais plonger un germe de monocristal dans la solution et le retirer lentement n'aurait pas de sens, puisqu'il ne peut pas exister de monocristal d'un alliage?

La solution doit être elle-même peu stable, puisque le nickel est plus dense que le titane, non? Il faut la remuer constamment pour éviter que le nickel ne se repose au fond?
Mais il doit être possible de produire des solutions de métaux de densités différentes à bord de la station spatiale internationale, en apesanteur.

[A voir en vidéo sur Futura]

[40CDV20]

Bjr,
Je précise que j'ai quitté la "salle de bal" entre le M53 et le M88. On en était à l'époque à 900°C en semi continu pour les contraintes mécaniques. Il est évident que ce quart de siècle passé a entraîné des avancées importantes. Le début des recherches dans les superalliages (initiée par l’Allemagne) date de 1940, c'est donc ancien.
Pour l'élaboration d'un alliage le point de départ est le diagramme d'équilibres de phases. A l'époque la majorité des diagrammes étaient établis expérimentalement. C'est moins vrai aujourd'hui par le développement des connaissances en mécanique quantique qui permet le développement de modèles théoriques, aidé par la puissance actuelle de calcul.
Dans le cas présent on s'intéresse au diagramme de phases du système Ni-Ti et de leurs composés intermédiaires (ceci se trouve aisément sur la toile). Toujours en comprimant, c'est un tableau prédictif de ce que seront les alliages du système selon la température et la composition (à l'équilibre thermodynamique). Un point capital est la non démixtion à l'état liquide, à défaut aucune transformation ne sera possible, ceci valant pour l'ensemble des alliages transformés à l'état liquide.
Il est très probable qu' USA et Russie explorent l'élaboration d'alliages "réputés impossibles" en microgravité, encore faut il que leur transformation soit également possible dans les mêmes conditions.
La réalisation de pièces et éléments colonnaires (les grains sont orientés parallèlement à l'effort et "croissent docilement" du début à la fin de la pièce) et/ou monocristallins s'opère par "micro-fusion" (technique également très ancienne dite à la cire perdue). Ce sont des techniques de moulage très élaborées qui permettent ces résultats remarquables (conception du moule, contrôle de la vitesse d'injection, maîtrise des températures, automatisation du process,....en fait il n'est pas fait appel à des technologies révolutionnaires)
Le système Ti-Ni conduit également à des alliages à mémoire de forme (principalement TiNi3), et assez curieusement la documentation avancée est à rechercher dans le domaine de l'orthodontie
Cdt