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Title:
TITANIUM ALLOYS WITH IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/249781
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an alloy comprising addition elements used as a substitution and one or more addition elements used as an insert according to a percentage by weight relative to the total weight of the alloy: - from 5 to 9% chromium as a substitution; - from 0.3 to 2% aluminium as a substitution and/or from 0.3 to 6% tin as a substitution; - from 0.2 to 1.5% iron as a substitution; - from 0 to 1.5% zirconium as a substitution; - from 0.03 to 0.22% by weight oxygen as an insert, the remainder of the alloy being completed by titanium and one or more optional impurities.

Inventors:
FREIHERR VON THÜNGEN IMMANUEL (FR)
DANARD YOLAINE (FR)
MILLET YVON (FR)
PRIMA FRÉDÉRIC (FR)
Application Number:
PCT/EP2020/066380
Publication Date:
December 17, 2020
Filing Date:
June 12, 2020
Export Citation:
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Assignee:
CENTRE NAT RECH SCIENT (FR)
SAFRAN (FR)
TIMET SAVOIE (FR)
ECOLE NAT SUPERIEURE DE CHIMIE DE PARIS (FR)
International Classes:
C22C14/00
Foreign References:
JPH03134126A1991-06-07
JP2011021257A2011-02-03
FR3027921A12016-05-06
Other References:
ABDUL WADOOD ET AL: "Effect of [alpha] phase precipitation on martensitic transformation and mechanical properties of metastable β Ti-6Cr-3Sn biomedical alloy", JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS., vol. 577, 15 November 2013 (2013-11-15), CH, pages S427 - S430, XP055195995, ISSN: 0925-8388, DOI: 10.1016/j.jallcom.2012.01.008
SUGANO D ET AL: "The effect of aluminum content on phase constitution and heat treatment behavior of Ti-Cr-Al alloys for healthcare application", MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING C, ELSEVIER SCIENCE S.A, CH, vol. 25, no. 3, 1 May 2005 (2005-05-01), pages 377 - 381, XP027804006, ISSN: 0928-4931, [retrieved on 20050501]
G. LÜTJERINGJ.C. WILLIAMS: "Titanium", 2007, SPRINGER
ABDEL-HADY ET AL.: "General approach to phase stability and elastic properties of P-type Ti-alloys using electronic parameters", SCRIPTA MATERIALIA, vol. 55, 2006, pages 477 - 480, XP025028306, DOI: 10.1016/j.scriptamat.2006.04.022
MARTELEUR ET AL.: "On the design of new P-metastable titanium alloys with improved work hardening rate thanks to simultaneous TRIP and TWIP effects", SCRIPTA MATERIALIA, vol. 66, 2012, pages 749 - 752, XP028473674, DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.01.049
SUN ET AL.: "Investigation of early stage déformation mechanisms in a metastable P-titanium alloy showing combined twinning-induced plasticity and transformation-induced plasticity effects", ACTA MATERIALIA, vol. 61, 2013, pages 6406 - 6417, XP028699958, DOI: 10.1016/j.actamat.2013.07.019
Attorney, Agent or Firm:
LE ROY, Gwennhael et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Alliage comprenant des éléments d’addition en sub stitution et un ou plusieurs élément(s) d’addition en insertion, selon un pourcentage en poids par rapport au poids total de l’alliage :

- de 5 à 9 % de chrome en substitution ;

- de 0,3 à 2% d’aluminium en sub stitution et/ou de 0,3 à 6% d’étain en substitution ;

- de 0,2 à 1 ,5 % de fer en substitution ;

- de 0 à 1 ,5 % de zirconium en substitution ;

- de 0,03 à 0,22 % d’oxygène en insertion ;

le reste de l’alliage étant complété par du titane et une ou plusieurs impuretés éventuelles .

2. Alliage selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il vérifie les conditions suivantes , déterminées avec le titane et les éléments d’addition en sub stitution uniquement :

- 13 < Mo eq < 15 ;

- 4, 12 < e/a < 4,20 ;

- ôr > 3 ,5 ;

- 2,77 < Bo < 2, 80 ; et

- 2,34 eV < Md < 2,38 eV,

Mo eq désigne la teneur mas sique en éléments béta-gènes dans l’alliage en équivalent molybdène ;

e/a = å(ei/ai)*Xi , où ei/ai désigne le nombre d’électrons de valence d’un élément i, et X i désigne la fraction molaire de l’élément i dans l’alliage ;

ôr désigne le paramètre de distorsion de maille ;

Bo désigne l’indice de liaison moyen des liaisons covalentes entre le titane et un ou plusieurs éléments d’addition en sub stitution ;

Md désigne le niveau d’énergie moyen, en eV, des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes entre le titane et les éléments d’addition en substitution . 3. Alliage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comprend au moins 80% en poids, de préférence au moins 87% en poids, plus préférentiellement au moins 90% en poids de titane, par rapport au poids total de l’alliage.

4. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend de 6 à 8% en poids, de préférence de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, par rapport au poids total de l’alliage.

5. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend de 0,3 à 1,5% en poids, de préférence de 0,5 à 1% en poids d’aluminium par rapport au poids total de l’alliage.

6. Alliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend de 0,3 à 3% en poids, de préférence de 0,5 à 1,5% en poids d’étain par rapport au poids total de l’alliage.

7. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend de 0,7 à 1,3% en poids, de préférence de 0,8 à 1,2% en poids de fer, par rapport au poids total de l’alliage.

8. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend au moins 90% en poids de titane par rapport au poids total de l’alliage, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome par rapport au poids total de l’alliage, et de 0,8 à 1,2% en poids de fer par rapport au poids total de l’alliage.

9. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pourcentage en poids de chaque impureté est inférieur ou égal à 0,2% en poids, de préférence inférieur ou égal à 0,1% en poids par rapport au poids total de l’alliage.

10. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est choisi parmi les alliages suivants : Ti-7Cr-lAl-lFe, Ti-7Cr- lSn- lFe, Ti-7Cr-l,5Sn-lFe, Ti-7Cr- l,5Sn-0,8Fe, Ti-7Cr-0,5Al-0,7Sn- lFe, Ti-7Cr-lSn-l,2Fe, Ti-7Cr-

0,5Sn- 1 ,2Fe, Ti-7Cr-lSn-lFe-0,5Zr, Ti-7Cr- lSn- lFe- lZr, étant entendu que pour chacun des alliages , le reste est complété par de l’oxygène et une ou plusieurs impuretés éventuelles .

1 1 . Pièce comprenant un alliage tel que défini à l’une quelconque des revendications précédentes .

12. Pièce selon la revendication 1 1 , caractérisée en ce qu’elle est une pièce de turbomachine ou d’un train d’atterrissage ou d’une nacelle, de préférence une pièce de turbomachine telle qu’un carter de turbomachine, un bord d’attaque ou une aube .

Description:
DESCRIPTION

Titre : Alliages de titane ayant des propriétés mécaniques

améliorées

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne le domaine des alliages, plus particulièrement celui des alliages de titane.

Etat de la technique antérieur

Le titane et ses alliages sont très appréciés dans l'industrie du fait de leur haute résistance spécifique et leur faible mas se volumique (environ 4,5 g/cm 3 ), inférieure de presque 40% à celle de l'acier. Ces paramètres ainsi que d’autres propriétés (haute résistance spécifique, résistance à la corrosion, biocompatibilité) rendent le titane et ses alliages très attractifs pour diverses applications dans de nombreux domaines tels que le biomédical ou encore l'aéronautique. B ien que connus pour leur excellente combinaison de propriétés mécaniques (faible densité alliée à une résistance mécanique élevée), les applications des alliages de titane sont encore limitées dans le domaine de l’aéronautique à cause de leur faible ductilité (déformation plastique à rupture en moyenne égale à 15 % ) et leur consolidation par l’écrouissage faible voire nulle. Le manque de ductilité de ces matériaux constitue un problème récurrent qui limite leur application. Il complique également les procédés de mise en forme qui sont, par voie de conséquence, complexes, multi-étapes et coûteux.

Pour des pièces devant résister à de grandes déformations, par exemple des carters de turbomoteurs qui doivent as surer la rétention d’objets en cas d’ingestion de corp s étrangers ou d’éclatement de pièces , les alliages de titane sont à privilégier par rapport aux aciers plus lourds et plus sensibles à la corrosion, par rapport aux alliages d’aluminium ayant une résistance spécifique inférieure et une tenue en température limitée, et par rapport aux composites à matrice organique ayant une tenue en température limitée, une mise en œuvre compliquée et n’étant pas recyclables . D’autres pièces déj à fabriquées en alliage de titane, comme par exemple les bords d’attaque des aubes en composite et les aubes du compres seur, profiteraient d’une mise en forme facilitée et de propriétés mécaniques améliorées . Il serait alors pos sible d’obtenir une géométrie plus complexe se traduisant par une amélioration des performances , une meilleure accroche entre les éléments en titane et les éléments en composite ou encore de réduire le poids des pièces .

Il existe donc un réel enj eu à développer de nouveaux alliages de titane présentant un écrouissage, ainsi qu’une ductilité élevés .

Récemment, une nouvelle famille d’alliages de titane, les alliages TRIP (« TRansformation Induced Plasticity » ou plasticité induite par transformation) et TWIP (« TWinning Induced Plasticity » ou plasticité induite par maclage) décrits dans le document FR 3027921 , a été développée afin répondre à ce besoin, combinant une ductilité proche de 45 % et un taux d’écrouis sage élevé.

Toutefois , la faible limite d’élasticité ( < 600MPa) de ces alliages limite encore leur potentiel d’application dans l’industrie aéronautique .

Par ailleurs , il existe clas siquement un compromis résistance/ductilité. Lorsque la résistance augmente, la ductilité diminue, et inversement. Il existe donc un enjeu de trouver le meilleur compromis pos sible.

Exposé de l’invention

La présente invention a pour but d’augmenter la limite d’élasticité des alliages de titane tout en gardant une ductilité élevée et un taux d’écrouis sage important. La présente invention a également pour but d’obtenir un compromis résistance/ductilité amélioré .

La présente invention a pour objet un alliage comprenant des éléments d’addition en substitution et un ou plusieurs élément(s) d’addition en insertion, selon un pourcentage en poids par rapport au poids total de l’alliage :

- de 5 à 9 % de chrome en substitution ;

- de 0,3 à 2% d’aluminium en sub stitution et/ou de 0,3 à 6% d’étain en substitution ; - de 0,2 à 1 ,5 % de fer en substitution ;

- de 0 à 1 ,5 % de zirconium en substitution ;

- de 0,03 à 0,22 % d’oxygène en insertion,

le reste de l’alliage étant complété par du titane et une ou plusieurs impuretés éventuelles .

Grâce à s a composition particulière, l’alliage selon l'invention présente des propriétés mécaniques améliorées , en particulier une limite d’élasticité élevée ainsi qu’une ductilité élevée et un taux d’écrouissage important.

De manière clas sique, il est entendu par « élément d'addition en substitution » au sens de la présente invention un élément chimique qui remplace un atome de titane dans le réseau cristallin d’un alliage de titane et par « élément d'addition en insertion » un élément chimique qui s’insère entre les atomes de titane dans le réseau cristallin d’un alliage de titane.

Pour les alliages de titane commerciaux, le pourcentage en poids d’un élément d’addition en substitution par rapport au poids total de l’alliage peut être élevé, pouvant aller jusqu’à 20% ; alors que le pourcentage en poids d’un élément d’addition en insertion, comme l’oxygène, l’hydrogène, l’azote et le carbone est faible, est en général inférieur à 1 % , voire inférieur à 0,5 % , voire inférieur à 0,25 % , par rapport au poids total de l’alliage .

Il est généralement connu que l’oxygène peut être utilisé comme un élément d’addition en insertion permettant d’augmenter les propriétés mécaniques , notamment pour les alliages de titane dits commercialement purs , c’est-à-dire les alliages contenant peu d’éléments d’addition, c’est-à-dire des alliages contenant typiquement 95 % en poids de titane ou plus (référence : livre « Titanium » 2 nde édition 2007 , G. Lütjering et J .C . Williams , édition Springer) . L’alliage de la présente invention contient un certain pourcentage en oxygène permettant d’augmenter la résistance en traction. Le pourcentage d’oxygène de l’alliage de la présente invention est de telle sorte qu’un compromis intéressant entre la résistance en traction, la ductilité et l’écrouis sage est atteint. Il est précisé que les expres sions « de ... à ... » utilisées dans la présente description doivent s’entendre comme incluant chacune des bornes mentionnées .

Il est entendu par « impureté » au sens de la présente invention, tout élément autre que le titane, le chrome, l’étain, l’aluminium, le fer, l’oxygène et le zirconium.

S auf mention contraire, dans les formules chimiques d'alliages utilisées dans la suite de la description, le nombre situé devant un élément chimique est la teneur massique en pourcentage (pourcentage en poids) de cet élément dans l'alliage. Par exemple, l'alliage Ti-7Cr- I AI- l Fe est un alliage comportant 7 % en poids de Cr, 1 % en poids de Al, et 1 % en poids de Fe, le reste de l’alliage étant complété par du titane, de l’oxygène et une ou plusieurs impuretés éventuelles .

Selon un mode de réalisation préféré, l’alliage selon l’invention vérifie les conditions suivantes , déterminées avec le titane et les éléments d’addition en substitution uniquement :

- 13 < Mo eq < 15 ;

- 4, 12 < e/a < 4,20 ;

- ôr > 3 ,5 ;

- 2,77 < Bo < 2, 80 ; et

- 2,34 eV < Md < 2,38 eV,

Mo eq désigne la teneur mas sique en éléments béta-gènes dans l’alliage en équivalent molybdène ;

e/a = å(ei/ai)*Xi , où ei/ai désigne le nombre d’électrons de valence d’un élément i, et X i désigne la fraction molaire de l’élément i dans l’alliage ;

ôr désigne le paramètre de distorsion de maille ;

Bo désigne l’indice de liaison moyen des liaisons covalentes entre le titane et un ou plusieurs éléments d’addition en sub stitution ;

Md désigne le niveau d’énergie moyen, en eV, des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes entre le titane et les éléments d’addition en substitution . De manière clas sique, deux phases principales des alliages de titane sont désignées par a et b . La phase a est de structure hexagonale compacte. La phase b est de structure cubique centrée.

Il est entendu par « martensite » la phase a” de structure orthorhombique. Lorsque cette phase se forme lors d’une déformation induite par contrainte externe, on parle de « martensite induite sous contrainte » ou de « transformation martensitique sous contrainte » .

Dans la présente invention, il est entendu par « transformation martensitique sous contrainte » le changement de phase de la phase b vers la phase a” sous l’effet d’une contrainte externe à l’alliage.

Dans ce qui suit, un élément i désigne le titane et tout élément d’addition en substitution, sauf indications contraires . Pour chacun des paramètres Mo eq , e/a, ôr, B o, Md, aucun élément d’addition en insertion n’est à prendre en compte . En particulier, l’oxygène, qui est un élément d’addition en insertion n’est pas à prendre en compte.

La grandeur Mo eq est donnée par l’équation suivante :

Mo eq = åMo i *Zi ,

où Zi désigne la fraction mas sique dans l’alliage de l’élément d’addition en substitution i ;

Mo i correspond au rapport (Caractère bétagène de l’élément d'addition en substitution) / (Caractère bétagène de Mo) ,

la somme étant effectuée sur l’ensemble des éléments d’addition en substitution présents dans l’alliage.

Ainsi, la somme porte à la fois sur les éléments d’addition en substitution bétagènes mais aussi sur les éléments d’addition en substitution alphagènes éventuellement présents dans l’alliage, ces derniers ayant un coefficient Mo i négatif. Ainsi, pour ce paramètre Mo eq , l’élément i désigne tout élément d’addition en substitution uniquement.

Le paramètre e/a est donné par l’équation suivante : e/a = å(ei/ai )*Xi , où ei/ai désigne le nombre d’électrons de valence d’un élément i, et Xi désigne la fraction molaire de l’élément i dans l’alliage, la somme étant effectuée sur l’ensemble formé par le titane et les éléments d’addition en substitution présents dans l’alliage. Le paramètre e/a traduit la stabilité de la phase b . Plus e/a augmente, plu s la phase b est stabl e.

Le paramètre de distorsion de maille ôr est donné par l’équation suivante :

où C i correspond au pourcentage atomique de l’élément i, ri au rayon atomique de l’élément i, et . à la moyenne des rayons atomiques des éléments d’addition en sub stitution et du titane présents dans l’alliage .

Pour le titane et chacun des éléments d’addition en substitution, les valeurs de Mo i , de e/a et du rayon atomique ri sont tabulées . Les valeurs de quelques éléments sont données dans le tableau 1 ci-dessous .

[Tableau 1 ]

Le paramètre B o est donné par l’équation suivante :

Bo = å Bo l x l ,

où Xi désigne la fraction molaire de l’élément i dans l’alliage, la somme portant sur l’ensemble formé par le titane et les éléments d’addition en substitution présents dans l’alliage .

Le paramètre B o quantifie la force de cohésion moyenne des liaisons covalentes entre le titane et les éléments d’addition en substitution .

La grandeur Md est donnée par l’équation suivante :

Md = å Md t x t ,

où Xi désigne la fraction molaire de l’élément i dans l’alliage, la somme portant sur l’ensemble formé par le titane et les éléments d’addition en substitution présents dans l’alliage .

Le paramètre Md désigne le niveau d’énergie moyen des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes résultant de l’interaction entre le titane et les éléments d’addition en substitution . Les valeurs de Bo et Md sont tabulées. Les valeurs de quelques éléments sont données dans le tableau 2 ci-dessous.

[Tableau 2]

Les paramètres Mo eq , e/a, ôr, Bo et Md sont bien connus de la littérature. En particulier, diverses publications détaillent le calcul des paramètres Bo et Md. A ce titre, la publication de Abdel-Hady et al « General approach to phase stability and elastic properties of b-type Ti- alloys using electronic parameters », Scripta Materialia 55 (2006) 477- 480, la publication de Marteleur et al « On the design of new b- metastable titanium alloys with improved work hardening rate thanks to simultaneous TRIP and TWIP effects », Scripta Materialia 66 (2012) 749-752, et la publication de Sun et al «Investigation of early stage deformation mechanisms in a metastable b-titanium alloy showing combined twinning-induced plasticity and transformation- induced plasticity effects », Acta Materialia 61 (2013) 6406-6417, peuvent être citées.

Avantageusement, l’alliage comprend au moins 80% en poids, de préférence au moins 87% en poids, plus préférentiellement au moins 90% en poids de titane, par rapport au poids total de l’alliage.

Selon un mode de réalisation particulier, l’alliage comprend de 6 à 8% en poids de chrome, de préférence de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, par rapport au poids total de l’alliage. De manière particulière, l’alliage peut comprendre de 6,9 à 7,1% en poids de chrome par rapport au poids total de l’alliage.

De préférence, l’alliage comprend de 0,3 à 1,5% en poids, plus préférentiellement de 0,5 à 1,5% en poids, plus préférentiellement encore de 0,5 à 1% en poids, encore plus préférentiellement de 0,7 à 1,3% en poids d’aluminium par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 0,3 à 0,8% en poids d’aluminium par rapport au poids total de l’ alliage. De préférence, l’alliage comprend de 0,3 à 3% en poids, plus préférentiellement de 0,3 à 2% en poids, plus préférentiellement de 0,3 à 1% en poids d’étain par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 0,5 à 1,5% en poids, plus préférentiellement de 0,7 à 1,3% en poids d’étain par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 1 à 2% en poids, plus préférentiellement de 1,2 à 1,8% en poids d’étain par rapport au poids total de l’alliage.

Selon un mode de réalisation particulier, l’alliage comprend de 0,5 à 1,5% en poids, de préférence de 0,7 à 1,3% en poids, plus préférentiellement de 0,8 à 1,2% en poids de fer par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 0,5 à 1,1% en poids de fer par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 0,9 à 1,5% en poids de fer par rapport au poids total de l’alliage.

L’alliage peut comprendre de 0,2 à 1,5% en poids, de préférence de 0,2 à 1% en poids, plus préférentiellement de 0,2 à 0,8% en poids de zirconium par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 0,5 à 1,5% en poids, de préférence de 0,5 à 1% en poids de zirconium par rapport au poids total de l’alliage ; ou de 0,7 à 1,3% en poids de zirconium par rapport au poids total de l’alliage.

L’alliage peut comprendre de 0,05 à 0,22% en poids, de préférence de 0,08 à 0,22% en poids, plus préférentiellement de 0,08 à 0,20% en poids, plus préférentiellement encore de 0,08 à 0,15% en poids d’oxygène par rapport au poids total de l’alliage.

De préférence, l’alliage comprend au moins 90% en poids de titane par rapport au poids total de l’alliage, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome par rapport au poids total de l’alliage, et de 0,8 à 1,2% en poids de fer par rapport au poids total de l’alliage.

Selon un mode de réalisation tout à fait particulier, l’alliage comprend, par rapport au poids total de l’alliage, au moins 90% en poids de titane, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, de 0,5 à 1,5% en poids de fer, de 0,3 à 1,5% en poids d’aluminium ou de 0,3 à 3% en poids d’étain, et de 0,05 à 0,22% en poids d’oxygène.

Selon un autre mode de réalisation tout à fait particulier, l’alliage comprend, par rapport au poids total de l’alliage, au moins 90% en poids de titane, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, de 0,5 à 1,1% en poids de fer ou de 0,7 à 1,3% en poids de fer, de 1 à 2% en poids d’étain, et de 0,05 à 0,22% en poids d’oxygène.

Selon un autre mode de réalisation tout à fait particulier, l’alliage comprend, par rapport au poids total de l’alliage, au moins 90% en poids de titane, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, de 0,7 à

1,3% en poids de fer, de 0,3 à 1,5% en poids d’aluminium, de 1 à 2% en poids d’étain, et de 0,05 à 0,22% en poids d’oxygène.

Selon un autre mode de réalisation tout à fait particulier, l’alliage comprend, par rapport au poids total de l’alliage, au moins 90% en poids de titane, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, de 0,9 à 1,5% en poids de fer, de 0,3 à 1% en poids d’étain ou de 0,5 à 1 ,5% en poids d’étain, et de 0,05 à 0,22% en poids d’oxygène.

Selon un autre mode de réalisation tout à fait particulier, l’alliage comprend, par rapport au poids total de l’alliage, au moins 90% en poids de titane, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, de 0,5 à

1,5% en poids de fer, de 0,3 à 1,5% en poids d’aluminium ou de 0,3 à

3% en poids d’étain, de 0,2 à 1,5% en poids de zirconium, et de 0,05 à 0,22% en poids d’oxygène.

Selon un autre mode de réalisation tout à fait particulier, l’alliage comprend, par rapport au poids total de l’alliage, au moins 90% en poids de titane, de 6,5 à 7,5% en poids de chrome, de 0,5 à

1,5% en poids de fer, de 0,3 à 1,5% en poids d’aluminium, de 0,3 à 3% en poids d’étain, de 0,2 à 1 ,5% en poids de zirconium, et de 0,05 à 0,22% en poids d’oxygène.

Préférentiellement, le pourcentage en poids de chaque impureté est inférieur ou égal à 0,2% en poids, de préférence inférieur ou égal à 0,1% en poids, plus préférentiellement inférieur ou égal à 0,05% en poids par rapport au poids total de l’alliage.

L’alliage selon l’invention peut être choisi parmi les alliages suivants : Ti-7Cr-lAl-lFe, Ti-7Cr- lSn- lFe, Ti-7Cr-l,5Sn-lFe, Ti-7Cr- l,5Sn-0,8Fe, Ti-7Cr-0,5Al-0,7Sn- lFe, Ti-7Cr-lSn-l,2Fe, Ti-7Cr-

0,5Sn- 1 ,2Fe, Ti-7Cr-lSn-lFe-0,5Zr, Ti-7Cr- lSn- lFe- lZr, étant entendu que pour chacun des alliages , le reste est complété par de l’oxygène et une ou plusieurs impuretés éventuelles .

Avantageusement, l’alliage est choisi parmi un alliage Ti-Cr- Al-Fe et un alliage Ti-Cr-Sn-Fe, le reste étant complété par de l’oxygène et une ou plusieurs impuretés éventuelles pour chacun des alliages .

De manière particulièrement préférée, l’alliage est choisi parmi Ti-7Cr- l Al- l Fe, Ti-7Cr- l Sn- l Fe, le reste étant complété par de l’oxygène et une ou plusieurs impuretés éventuelles pour chacun des alliages .

La présente invention porte également sur une pièce comprenant un alliage selon l’invention.

De manière préférée, la pièce est une pièce de turbomachine ou d’un train d’atterris sage ou d’une nacelle, de préférence une pièce de turbomachine telle qu’un carter de turbomachine, un bord d’attaque ou une aube .

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront encore plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux des sins annexés .

Brève description des dessins

[Fig 1 ] représente un diagramme électronique sur lequel des exemples d’alliages selon l’invention sont po sitionnés ;

[Fig 2] représente un graphe illustrant le résultat d’es sais de traction d’un exemple d’alliage selon l’invention ;

[Fig 3 ] représente un graphe illustrant le résultat d’es sais de traction d’un exemple d’alliage selon l’invention ;

[Fig 4] représente une photographie de la microstructure d’un exemple d’alliage selon l’invention ;

[Fig 5] représente une photographie de la microstructure d’un exemple d’alliage selon l’invention ;

[Fig 6] représente une photographie de la microstructure d’un exemple d’alliage selon l’invention.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation La figure 1 est un diagramme électronique sur lequel trois exemples d’alliages de titane selon l’invention ont été positionnés . Le point A correspond à l’alliage Ti-7Cr- l Sn- l Fe (alliage A) , le point B à l’alliage Ti-7Cr- 1 ,5S n- l Fe (alliage B ) , et le point C à l’alliage Ti-7Cr- l Al- l Fe (alliage C) . Ce diagramme électronique indique les mécanismes de déformation mis en œuvre lorsque l’alliage est soumis à une contrainte.

Bo est représenté en ordonnée sur ce diagramme. Comme indiqué ci-avant, B o quantifie la force de cohésion moyenne des liaisons covalentes entre le titane et les éléments d’addition en substitution . Ainsi, pour l’alliage A, B o quantifie la force de cohésion moyenne des liaisons covalentes entre le titane et les éléments Cr, Sn et Fe.

Md est représenté en abscisse sur ce diagramme. Comme indiqué ci-avant, Md désigne le niveau d’énergie moyen des orbitales d correspondant aux liaisons covalentes résultant de l’interaction entre le titane et les éléments d’addition en sub stitution.

Dans le diagramme de la figure 1 , diverses régions sont indiquées et correspondent aux différents mécanismes de déformation mis en j eu, à savoir le glissement des dislocations « slip » , le maclage « twinning » et la transformation martensitique sou s contrainte « S IM : stress induced martensite » .

Des résultats d’es sais de traction de l’alliage Ti-7Cr- l Al- l Fe sont représentés sur la figure 2. Ces es sais ont été réalisés dans des conditions d’essai quasi-statiques , et le déplacement est mesuré grâce à un extensomètre. L’alliage présente une limite d’élasticité de

650MPa, une résistance mécanique de 1415MPa et une déformation uniforme de 38 % en contrainte et déformation vraies .

Des résultats d’es sais de traction de l’alliage Ti-7Cr- l Sn- l Fe sont représentés sur la figure 3. Ces es sais ont été réalisés dans des conditions d’essai quasi-statiques , et le déplacement est mesuré grâce à un extensomètre. L’alliage présente une limite d’élasticité de

710MPa, une résistance mécanique de 1380MPa et une déformation uniforme de 28 % en contrainte et déformation vraies . Ainsi, l’alliage selon l'invention présente de très bonnes propriétés mécaniques , en particulier une limite d’élasticité élevée ainsi qu’une ductilité élevée et un taux d’écrouis sage important. L’alliage selon l’invention présente des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux alliages décrits dans le document FR 3027921 . En effet, la limite d’élasticité de ces alliages comparatifs est inférieure à 600 MPa.

La microstructure de l’alliage Ti-7Cr- 1 Al- l Fe obtenue après 5% de déformation peut être observée sur la figure 4. Cette image illustre le réseau dense de macles fines présent dans l’alliage selon l’invention. Ce phénomène permet un « effet Hall-Petch dynamique » à l’origine de l’écrouis sage important.

La microstructure de l’alliage Ti-7Cr- 1 Al- l Fe obtenue après 5% de déformation peut être observée sur la figure 5. Cette image montre une matrice b (D), dans laquelle de fines macles (E) se sont formées dans deux directions dans le grain. A l’intersection des macles , il est po ssible de noter la présence d’aiguilles de martensite (F) induites sous contrainte. Cette martensite apparaît pour accommoder les contraintes internes et explique la ductilité élevée de ces alliages .

La microstructure de l’alliage Ti-7Cr- l ,5Sn-0, 8Fe obtenue après 5 % de déformation peut être ob servée sur la figure 6. Cette photo illustre les fortes concentrations de déformation au niveau des joints de grains (zone G) . La figure 6 prouve également le rôle que jouent les joints de grains comme obstacle à la propagation des macles (effet Hall-Petch) . L’image montre les champs de désorientation engendrés par l’arrivée d’une macle au joint de grains dans le grain voisin, qui indique une génération importante de dislocations . Ces observations expliquent l’écrouis sage élevé de ces alliages .

Ainsi, dans les alliages de cette invention, un effet de maclage mécanique induisant de la plasticité (effet « TWIP » : « TWinning Induced Plasticity ») est déclenché en mécanisme de déformation primaire, qui est à l’origine de l’écrouissage élevé de ces alliages grâce à un effet « Hall-Petch dynamique » . Dans les zones de fortes concentrations de contrainte (croisement de macles, interface macle/matrice, joint de grains) apparaît de la martensite induite sous contrainte qui vient accommoder les contraintes internes . La transformation de phase sou s contrainte apparaît dans ces alliages uniquement comme un mécanisme de déformation secondaire . S a présence dans les zones de forte concentration de contrainte est à l’origine de la ductilité élevée de ces alliages .

Les performances de ces alliages , à savoir une amélioration de la limite d’élasticité ( > 600MPa) et de la résistance mécanique (> 1300MPa) tout en conservant une ductilité élevée (déformation à rupture > 30%) sont en rupture technologique par rapport aux performances des alliages de titane connus .

Exemple

Fabrication de l’alliage Ti-7Cr- l Al- l Fe

Un lingot d’alliage Ti-7Cr- 1 Al- l Fe a été fabriqué grâce à un four à arc sous atmosphère d’argon, à partir d’éponge de Ti de pureté industrielle et d’éléments d’additions industriels . L’alliage final respecte la composition suivante : 7 % en poids de chrome, 1 % en poids d’aluminium et 1 % en poids de fer, le reste étant complété par du titane, de l’oxygène et une ou plusieurs impuretés éventuelles . Ce lingot a été laminé pour obtenir des plaques de 0,5 mm d’épais seur, traitées ensuite dans le domaine b, suivi d’un refroidis sement rapide. Des éprouvettes de traction plates ont ensuite été découpées afin de pouvoir réaliser les essais de traction (figures 2 et 3 ) et déformées à 5% pour les observations microstructurales (figures 4 à 6) présentés ci-dessus .