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SUJET POURVU - Effet des traitements thermomécaniques sur la microstructure d'un alliage de Titane à composé ordonné O-Ti2AlNb

SUJET POURVU - Effet des traitements thermomécaniques sur la microstructure d'un alliage de Titane à composé ordonné O-Ti2AlNb

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Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

MAUREL Vincent

Co-directeur de thèse

NAZE Loïc

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactLoïc NAZE
Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Accueil/Propositions-de-theses/
Mots-clés

Alliages de Ti , Optimisation métallurgique , Microstructure , Recristallisation, Précipitation

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Résumé

Ce projet de recherche a pour objet la compréhension des effets des paramètres des traitements thermomécaniques (taux et vitesse de déformation et température de traitement) sur la microstructure de l'alliage S12 de la famille des alliages de composition atomique générique « Ti2 Al Nb ». L'objectif scientifique de cette étude est de corréler physiquement les caractéristiques de la recristallisation (évolution de la taille de grains, homogénéité microstructurale, caractéristiques microstructurales de la précipitation après traitements thermiques) avec les caractéristiques de la déformation intragranulaire et des microstructures de dislocation produites par le corroyage. L'objectif industriel est de préciser les domaines de taux et vitesses de déformation, et de température permettant de produire une recristallisation homogène dans l'alliage afin de préciser les paramètres de mise en forme industrielle pour la réalisation de galets forgés.

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Contexte

L'Alliage S12, dont la composition a été mise au point et brevetée par le Centre des Matériaux et Safran, fait partie de la famille des alliages de composition atomique générique « Ti2 Al Nb ». Ces alliages présentent des caractéristiques mécaniques entre 550 et 650°C qui s'avèrent supérieures à celles des alliages à base de Titane actuellement utilisés pour la réalisation des pièces de compresseurs de turbomoteurs aéronautiques. Ces remarquables caractéristiques mécaniques associées à la relativement faible densité de ces alliages leur permettraient de remplacer avantageusement les superalliages à base de Nickel utilisés dans les parties les plus chaudes de ces compresseurs. Alors que les alliages de Titane « near-Alpha » utilisés dans les turbomoteurs aéronautiques, sont constitués de lattes de phase Alpha hexagonale dans une matrice à base de Titane Bêta cubique, les alliages du type de l'Alliage S12 présentent une microstructure formée de lattes de la phase orthorhombique O de composition stœchiométrique Ti2AlNb dans une matrice cubique au moins partiellement ordonnée.

Les études d'optimisation de cet alliage ont jusqu'à maintenant été réalisées sur des galets forgés à partir de lopins d'un premier lingot d'alliage préalablement corroyé par filage. Les paramètres de filage (température, taux de réduction, vitesse d'extrusion) ont été choisis sur la seule base du savoir-faire, dans le domaine du corroyage des alliages de Titane, de l'entreprise chargée de cette opération. Au cours de ces études il a été constaté que, bien que l'homogénéité de composition chimique dans l'ensemble du lingot ait été confirmée, les microstructures produites après chacune des différentes étapes de traitement thermomécaniques (filage, forgeage) ainsi qu'après les traitements thermiques, présentent des hétérogénéités significatives. Ces hétérogénéités portent sur la taille de grain et, corrélativement, sur la taille des lattes de phase O précipitée dans ces grains. Les multiples analyses microstructurales ont montré que ces hétérogénéités sont corrélées à l'hétérogénéité de la recristallisation au cours du filage et que celle-ci se répercute jusque sur les microstructures des différentes zones - cœur du galet, zone « morte » et zones périphériques - des galets forgés en matrice isotherme et traités thermiquement. Cette hétérogénéité de recristallisation résulterait d'un corroyage, au cours du filage, inadapté à l'objectif d'une recristallisation homogène dans l'ensemble de la barre, du fait de paramètres tels que le taux de réduction de section de barre, la vitesse de filage et/ou la température non optimisés pour ce type d'alliage.

L'objectif industriel de cette étude est d'optimiser les paramètres (températures, taux et vitesses de déformation, temps et températures de traitements isothermes, vitesses de refroidissement) des différentes étapes des gammes de traitements thermomécaniques (filage, forgeage), ainsi que de traitements thermiques, auxquelles est soumis l'alliage depuis son élaboration sous forme de lingot jusqu'au forgeage de galets qui seront usinés pour la réalisation de pièces de turbomachines. Cette optimisation doit permettre de produire la microstructure correspondant aux critères métallurgiques (taille de grain, taille des lattes de phase O primaire, …) définis, en conclusions d'études antérieures, comme optimum pour les propriétés mécaniques entre 550 et 650°C des alliages de composition générique Ti2AlNb. L'obtention, de façon reproductible, de cette microstructure permettra d'envisager l'utilisation industrielle de l'alliage S12. Il s'agira donc, d'une part, de déterminer les caractéristiques microstructurales après différentes étapes de corroyage et, d'autre part, de préciser, après chaque étape, les paramètres nécessaires à l'ajustement des gammes de corroyage ou de traitements thermiques de l'étape suivante.

Encadrement

MAUREL Vincent directeur de thèse Centre des Matériaux
NAZE Loïc co-encadrant Centre des Matériaux
ESIN Vladimir co-encadrant Centre des Matériaux
Partenaires industriels : SALLOT Pierre SAFRAN TECH et MILLET Yvon TIMET Savoie

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Connaissances solides en métallurgie générale et en métallurgie physique (cristallographie, diffusion, dislocations).
Bonnes base en propriétés mécaniques des matériaux.
Goût et aptitudes pour l'expérimentation (observations microstructurales, essais mécaniques).
Intérêt pour la recherche appliquée dans un contexte à fort enjeu industriel.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• Une attestation de niveau d'anglais

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Résultat attendu

Les analyses microstructurales, en particulier les analyses de la déformation intragranulaire et des microstructures de dislocation, réalisées sur les échantillons issus de la simulation expérimentale du corroyage de l'alliage permettront de préciser les mécanismes de la recristallisation mis en jeu au cours des essais de déformation simulant les traitements thermomécaniques. Des données sur les mécanismes relatifs à l'interaction entre la recristallisation et la précipitation pourront éventuellement être obtenues.
Ces analyses permettront également de préciser les domaines de température et de taux et de vitesse de déformation permettant de réaliser une recristallisation homogène des échantillons de cet alliage.
La transformation, par des moyens numériques, de ces données expérimentales en paramètres de traitements thermomécaniques (filage et forgeage isotherme) permettra la réalisation, en premier lieu d'une barre filée, puis de galets forgés. En fonction de l'avancement de l'étude, l'ajustement des traitements thermiques à réaliser sur ces galets, ainsi que la détermination de caractéristiques du comportement en fluage et en traction de cet alliage élaboré suivant les gammes de traitement thermomécaniques et thermiques optimisées sont également envisageables.

Objectif

L'objectif scientifique est de corréler physiquement les caractéristiques de la recristallisation (évolution de la taille de grain, homogénéité microstructurale, caractéristiques microstructurales de la précipitation après traitements thermiques) avec les caractéristiques de la déformation intragranulaire et des microstructures de dislocation produites par le corroyage

Références

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Type financement

Convention CIFRE

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