Thèse
Auteur :
Tarral-Basle Sandrine

Date de soutenance :
01 décembre 2000

Directeur(s) de thèse :
Bienvenu Yves
Colin Christophe



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Réparation et rechargement par brasage-diffusion des alliages intermétalliques gamma TiAl au moyen de mélanges de poudres TiAl/TiCuNi: aspect microstructural et mécanique des assemblages


Résumé : L'objectif de ce travail est de déterminer les paramètres opératoires du procédé de rechargement brasage-diffusion en vue de réparer ou de recharger des pièces massives en alliages intermétalliques gamma-TiAl. Ces alliages intermétalliques à base de TiAl présentent une faible densité et constituent une nouvelle classe de matériaux structuraux qui allie à température élevée résistance et ductilité. Le rechargement brasage-diffusion (RBD) est un procédé tout désigné pour la réparation de fissures, de criques, mais aussi pour la reconstruction de zones usées ou endommagées de ces aluminiures en cours de fonctionnement. La particularité du procédé RBD réside dans le fait que le métal d'apport est constitué d'un mélange de poudres préfritté ou non. Ce mélange de poudres est constitué d'une poudre appelée métal de base, de composition proche de celle de la pièce à réparer, soit Ti-48AL-2Cr-2Nb (%at.) et d'une autre poudre dénommée fondant ou métal d'apport, Ti-15Cu-15Ni (%mass.), dont la température de fusion est inférieure à la température de frittage ou de brasage.

La première partie de la thèse a consisté dans l'étude de la réalisation de préformes frittées à partir de mélanges de poudres TiAl/TiCuNi. Ces mélanges subissent un frittage-réactif en présence de phase liquide et sont appelés "préfrittés" ou "préformes". Il s'agissait d'une part de comprendre et d'expliquer la formation de la microstructure de ces préformes en fonction de la température, du temps de palier isotherme et de la composition du mélange, et d'autre part de déterminer les paramètres opératoires qui mènent à des mélanges homogènes et denses avec un retrait contrôlé.

La deuxième partie de l'étude consistait à utiliser les préformes réalisées dans les conditions optimales, afin d'assembler par brasage-diffusion des pièces massives en TiAl. Les joints obtenus, formés d'une zone de réaction à l'interface avec le TiAl, ont fait l'objet de caractérisations microstructurales et mécaniques. Les résultats indiquent que les joints denses avec moins de 2% de porosité et dont la microstructure est homogène, atteignent des résistances en traction à 750°C de l'ordre de 80% de celle du TiAl massif.INTRODUCTION 1

PARTIE A: LES INTERMÉTALLIQUES g-TIAL, LEURS PROCÉDÉS D'ASSEMBLAGE ET DE RÉPARATION

Chapitre I: Les alliages intermétalliques g-TiAl 7

I Diagramme de phase binaire Ti-Al et structure cristallographique de certains composés intermétalliques I-9

I.1 Le composé á2-Ti3Al I-11

I.2 Le composé g-TiAl I-11

II Transformations de phases et microstructurales I-13

III Propriétés physiques et mécaniques I-17

III.1 Propriétés physiques I-17

III.2 Propriétés mécaniques I-17

III.3 Influence des éléments d'addition et des impuretés I-21

IV Procédés d'élaboration et de mise en forme des alliages g-TiAl I-23

IV.1 La filière fonderie I-23

IV.2 Les procédés de corroyage I-23

IV.3 La filière métallurgie des poudres (MdP) I-24

V Les alliages de seconde génération I-25

V.1 Transformations de phases I-26

V.2 Microstructure et procédés d'élaboration I-26

V.3 Propriétés mécaniques I-27

Résumé I-28

Références bibliographiques I-28

Chapitre II: Procédés d'assemblage appliquées aux alliages intermétalliques g-TiAl 29

I Soudage par fusion II-32

I.1 Soudage à l'arc sous flux gazeux (TIG) II-32

I.2 Soudage par bombardement électronique (Electron beam welding), II-33

I.3 Soudage laser II-34

I.4 Soudage Plasma II-34

II Soudage en phase solide II-34

II.1 Soudage par friction II-35

II.2 Soudage-diffusion II-35

III Brasage et brasage diffusion II-41

III.1 Définition du brasage II-41

III.2 Définition du brasage-diffusion II-41

III.3 Brasage-diffusion appliqué aux alliages intermétalliques g-TiAl II-42

Résumé II-53

Références bibliographiques II-53

Chapitre III: Techniques de réparation et de rechargement par brasage-diffusion 55

I Le rechargement par brasage-diffusion (RBD) III-57

I.1 Principe du RBD III-57

II Exemples d'application des techniques de réparation III-59

II.1 Les superalliages à base de Ni III-61

II.2 Les procédés de brasage-diffusion des intermétalliques g-TiAl III-63

Résumé III-65

Références bibliographiques III-65

PARTIE B: ÉLABORATION DE PRÉFORMES PAR FRITTAGE RÉACTIF EN PHASE LIQUIDE

Chapitre IV: Présentation des poudres 69

A la poudre de métal de base: Ti-48Al-2Cr-2Nb(%at.) IV-71

I Procédé d'élaboration des poudres: l'atomisation au gaz IV-71

II Composition IV-73

III Morphologie IV-73

IV Observations métallographiques IV-75

V Structure cristallographique IV-75

V.1 Remise en ordre IV-77

VI Transformations de phases IV-79

VI.1 Passage de l'état métastable à un état plus stable IV-79

VI.2 Réaction eutectoïde IV-81

VI.3 Transus á IV-81

VI.4 Températures de solidus et de liquidus IV-81

VI.5 Solidification et homogénéisation IV-84

VII Traitements thermiques IV-84

VII.1 Microstructures génériques obtenues après recuit IV-84

VII.2 Proportion des phases g/ á2 IV-85

B La poudre de métal d'apport Ti-15Cu-15Ni (%mass.) IV-87

I Diagramme de phase IV-87

II Composition IV-89

III Morphologie IV-89

IV Observations métallographiques IV-91

V Transformations de phases IV-91

V.1 Passage d'un état métastable à un état stable IV-93

V.2 Réactions invariantes IV-93

V.3 Solidification IV-93

V.4 Interaction TiCuNi / Al2O3 IV-93

VI Traitements thermiques IV-95

C La poudre de métal d'apport Ti-30Ni (%mass.) IV-97

I Diagramme de phase IV-97

II Morphologie IV-97

III Observations microstructurales IV-99

IV Structure cristallographique IV-99

V Transformations de phases IV-99

Résumé IV-102

Références bibliographiques IV-103

Chapitre V: Formation de la microstructure au cours du frittage réactif en phase liquide des préformes TiAl/TiCuNi 105

I Procédures expérimentales pour la réalisation de préformes frittées dans un four semiindustriel

V-107

II Procédures expérimentales des essais de frittage suivis par ATD V-109

III Utilisation d'un diagramme d'équilibre ternaire équivalent V-111

III.1 Considérations relatives aux liquidus V-113

III.2 Comparaison entre les thermogrammes des mélanges TiAl/TiCuNi et TiAl/TiNi V-117

IV Détermination des transformations de phase des mélanges TiAl/TiCuNi au cours de cycles thermiques V-119

IV.1 Réactions invariantes au cours du premier chauffage V-119

IV.2 Réactions à variance non nulle au cours des cycles successifs V-123

Résumé V-143

Références bibliographiques V-145

Chapitre VI: Caractérisation des préformes TiAl/TiCuNi 141

A Synthèse bibliographique VI-149

I Frittage en phase liquide (FPL) VI-149

I.1 Description phénoménologique du FPL "classique" VI-151

I.2 Conclusions sur le FPL VI-160

II Le frittage en phase liquide transitoire (FPLT) VI-160

III Le frittage activé VI-161

IV Le frittage supersolidus VI-161

V Le frittage réactif en phase liquide ou frittage-réaction (FRPL) VI-161

B Étude du FRPL du mélange TiAl/TiCuNi VI-162

I Étude de la densification VI-162

I.1 Élimination de la porosité au cours du FRPL VI-162

I.2 Morphologie des pores VI-171

I.3 Densité des préfrittés VI-171

I.4 Formation des "cous" au cours du FRPL VI-175

I.5 Cinétique de densification des préfrittés VI-177

II Grossissement des particules au cours du FRPL VI-189

II.1 Influence de la température sur la taille des grains VI-191

II.2 Influence du temps de palier isotherme sur la taille des grains VI-191

II.3 Mécanisme de grossissement des grains métallurgiques au cours du frittage VI-191

III Proportion de phase intergranulaire dans les préformes TiAl/TiCuNi VI-193

III.1 Estimation de la proportion de phase intergranulaire des préfrittés VI-193

III.2 Estimation de la proportion de phase liquide à différentes températures de frittage VI-195

Résumé VI-196

Références bibliographiques VI-198

PARTIE C: LE BRASAGE-DIFFUSION ET LE RECHARGEMENT BRASAGE-DIFFUSION

Chapitre VII: L'assemblage par brasage-diffusion au moyen d'un feuillard TiCuNi 203

I Assemblage avec le métal d'apport TiCuNi VII-205

I.1 Réalisation d'éprouvettes "coins" VII-205

I.1 Observations microstructurales VII-205

I.2 Evolution de l'épaisseur du joint VII-207

I.3 Profil de concentration à travers le joint VII-209

I.4 Comportement mécanique des assemblages réalisés par brasage-diffusion VII-214

II Assemblage avec le métal d'apport TiNi VII-215

II.1 Observation microstructurales VII-217

II.2 Evolution de l'épaisseur du joint a VII-217

II.3 Profil de concentration à travers le joint VII-219

II.4 Profil de microdureté VII-219

Résumé VII-220

Références bibliographiques VII-220

Chapitre VIII: Le rechargement brasage-diffusion à l'aide de préforme TiAl/TiCuNi 221

I Simulation du brasage-diffusion par ATD VIII-223

I.1 Présentation des conditions opératoires VIII-223

I.2 Observations microstructurales VIII-223

I.3 Réactions communes observées avec des creusets TiAl et Al2O3 VIII-225

II Simulation du brasage-diffusion par dilatométrie VIII-239

II.1 Présentation des conditions opératoires VIII-239

II.2 Observations microstructurales VIII-241

II.3 Comparaison de la densité relative des préfrittés seuls avec ceux au contact du

TiAl massif VIII-241

II.4 Influence de l'épaisseur initiale des préfrittés VIII-243

II.5 Brasage-diffusion à l'aide de préformes denses VIII-245

III Formation de la couche de réaction VIII-249

IV La maturation du grain métallurgique dans le joint au contact du TiAl massif VIII-251

IV.1 Joints brasés 15 minutes VIII-251

IV.2 Joints brasés-diffusés 4 heures VIII-251

V Propriétés mécaniques VIII-251

V.1 Essais de traction à 750°C VIII-251

V.2 Essais de fluage-rupture à 750°C VIII-255

Résumé VIII-257

Références bibliographiques VIII-257

CONCLUSIONS GÉNÉRALES 259

ANNEXES

ANNEXE 1: Diffraction des rayons X 3

ANNEXE 2: Détermination des raies de surstructure de la phase á2 4

ANNEXE 3: Calcul de la densite theorique des poudres TiAl et TiCuNi 6

ANNEXE 4: Principe de base de l'Analyse Thermique Différentielle 8

ANNEXE 5: Microstructure type d'un mélange RBD TiAl/50TiCuNi fritté à 1150°C pendant 15 minutes sous vide secondaire à 20°C/min 10

ANNEXE 6: Microstructure type d'un mélange RBD TiAl/40TiCuNi fritté à 1200°C pendant 15 minutes sous vide secondaire à 20°C/min 11

ANNEXE 7: Microstructure type d'un mélange RBD TiAl/30TiCuNi fritté à 1200°C pendant 15 minutes sous vide secondaire à 20°C/min 12

ANNEXE 8: Principe de la Trempe d'un mélange RBD TiAl/50TiCuNi réalisée dans un gradient de température contrôlé 13

ANNEXE 9: Méthode des trois pesées 15

ANNEXE 10: Principes de l'analyse d'images 17

I Principes de base 17

II Application de la notion de covariogramme et de coefficient de variation aux préfrittés 18

ANNEXE 11: comparaison des valeurs de porosité obtenues par la méthode des trois pesées et l'analyse d'images 24

ANNEXE 12: Influence de la vitesse de chauffe sur la microstructure du mélange TiAl/50TiCuNi fritté à 1200°C-30min, <63µm, sous vide secondaire 28

ANNEXE 13: Influence de la granulométrie sur la microstructure du mélange

TiAl/50TiCuNi fritté à 1200°C-30min, sous vide secondaire à 20°C/min 29

ANNEXE 14: Influence de l'atmosphère de frittage sur la microstructure du mélange TiAl/40TiCuNi fritté à 1250°C-15min, <63µm, 20°C/min. 30

ANNEXE 15: Influence du temps de maintien isotherme et de la température de frittage sur la microstructure des préfrittés TiAl/50TiCuNi, frittés à 20°C/min, sous vide secondaire, <63µm 31

ANNEXE 16: Influence du temps de maintien isotherme et de la température de frittage sur la microstructure des préfrittés TiAl/40TiCuNi, frittés à 20°C/min, sous vide secondaire, <63µm 34

ANNEXE 17: Influence de la température de frittage sur la microstructure des préfrittés TiAl/30TiCuNi, frittés 15 minutes à 20°C/min, sous vide secondaire,

<63µm 36

ANNEXE 18: Influence du temps de maintien isotherme sur la microstructure des préfrittés TiAl/30TiCuNi, frittés à 1250°C, sous vide secondaire, <63µm 38

ANNEXE 19: La dilatométrie 39

ANNEXE 20: Calcul de la densite théorique à partir de la dilatométrie 41

ANNEXE 21: Géométrie des éprouvette de traction et de fluage-rupture 44

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