Figure dendritique

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Microstructure d'un alliage à base de siliciure de niobium où apparaissent des dendrites* Nb5Si3 (en foncé) entourées d'un mélange de niobium (en clair) et de Nb5Si3. (Image : J.L. Raviart, S. Drawin, DMMP)
* : voir Lexique .

Pour en savoir plus...

Le matériau a été obtenu par fusion d’un mélange d’éléments purs (Nb, Si ainsi que d'éléments métalliques réfractaires) dans un four à arc*. Dans l’alliage purement binaire Nb-Si, le refroidissement relativement rapide imposé par ce type d’élaboration fait que la phase métastable* Nb3Si est conservée, alors que l’on s’attend, à température ambiante, à obtenir un mélange Nb + Nb5Si3, d’après le diagramme de phase ci-dessous.

Cette phase Nb3Si (qui n’est pas recherchée, car ses propriétés mécaniques ne sont pas très bonnes) peut être transformée en Nb5Si3 (par la réaction 3 Nb3Si --> 4 Nb + Nb5Si3), par un traitement thermique ultérieur. Mais l’ajout de certains éléments métalliques permet aussi de forcer directement la formation de Nb5Si3 lors de la solidification.

Diagramme de phase Nb-Si partiel (0 =< Si (% at .) =< 50).

Au cours du refroidissement du bain liquide (voir l’animation), il se forme des germes de matière solide, qui se développent sous forme de dendrites* au fur et à mesure que la température diminue. Lorsque le bain liquide de composition correspondant à la composition eutectique* (avec 18,2 % de silicium) atteint la température du "palier eutectique" (1880°C), tout le liquide se solidifie instantanément en un mélange de niobium (contenant un faible pourcentage de silicium) et de phase Nb3Si, selon une microstructure particulière, dite « eutectique » (voir l’animation) : une des phases (ici Nb) est dispersée très finement sous forme de bâtonnets (c’est le cas ici ; le diamètre d’un bâtonnet est inférieur à 500 nm) ou de plaquettes dans l’autre phase. Selon l’angle sous lequel ces bâtonnets ont été coupés (pour l’observation au microscope), ils apparaissent sous forme de cercles ou d’ellipses plus ou moins allongées.

Microstructure eutectique d'un alliage Nb (81,8%) – Si (18,2%) (pourcentage atomique) constitué d'un mélange de niobium (en blanc) dans une matrice de siliciure de niobium Nb3Si (en gris). Photo : A. Bachelier, DMMP.

Zoom de la microstructure eutectique d'un alliage Nb (81,8%) – Si (18,2%) (Nb en blanc, Nb3Si en gris).

Encore plus...

La tenue mécanique et la résistance à l’oxydation des matériaux utilisés dans les turbines des moteurs aéronautiques limitent les performances de ces dernières. Des études prospectives récentes montrent que pour les aubes de turbine où la température de paroi atteint actuellement 1050°C à 1100°C, l’optimisation des compositions des alliages métalliques employés (superalliages* à base de nickel) et des procédés d’élaboration, l’amélioration des circuits internes de refroidissement des pièces et l’emploi de barrières thermiques* ne permettront pas d’atteindre les températures de paroi visées, supérieures à 1250°C.

Les études se sont alors tournées vers de nouvelles familles d’alliages réfractaires. Le matériau qui fait l’objet d’études à l’Onera est constitué de deux phases hautement réfractaires (température de fusion supérieure à 2000°C) en équilibre thermodynamique : un métal (base Nb) apportant une ténacité* suffisante à l’ambiante et un intermétallique offrant une résistance et une tenue au fluage* suffisante à haute température.

Ces nouveaux matériaux permettront d’augmenter de 150°C à 200°C (par rapport aux superalliages monocristallins à base de nickel utilisés actuellement) la température de service des turbines aéronautiques (en particulier des parties les plus chaudes, telles que les voilures des aubes de la partie turbine) et de certains types de turbines terrestres. Cette augmentation de capacité en température apportera une réduction de la consommation spécifique en carburant, des émissions de dioxyde de carbone, et des besoins en refroidissement, ce dernier point apportant une augmentation supplémentaire du rendement énergétique et une diminution de la masse totale du moteur.

Une partie des activités a lieu dans le cadre du projet européen Ultmat que coordonne l’Onera (www.ultmat.onera.fr). Lancé en janvier 2004 pour une durée de quatre ans, ce projet a pour objectif d'évaluer le potentiel des matériaux à base de siliciures de molybdène ou de niobium. Les activités concernent la définition de compositions d'alliages, le développement des procédés d'élaboration industriels associés et les propriétés d'usinabilité et d'assemblage, afin de proposer une génération de matériaux européens présentant un compromis acceptable entre les propriétés mécaniques (à basse et à haute température) et la résistance à l'oxydation.

Texte : Stefan Drawin, ingénieur de recherches au département Matériaux métalliques et procédés, coordinateur pour l'Onera du projet européen Ultmat (matériaux ultra-chauds pour les turbines)

Lexique

• Eutectique
  [du grec eutektos, " qui fond aisément "] Un eutectique est un mélange de plusieurs corps (ici Nb et Nb3Si) qui fond et se solidifie à température constante, contrairement aux mélanges habituels. Cette température est plus basse que celle de tout autre mélange des mêmes corps en d'autres proportions.  C’est un point invariant du diagramme de phase (c’est à dire à température et composition bien déterminées).
• Dendrite
  Cristal, obtenu généralement par solidification, à la forme arborescente. Un flocon de neige, par exemple, a une structure dendritique.
• Réfractaire
  Caractérise un matériau qui résiste à la chaleur.
• Four à arc
  Four dans lequel la fusion est obtenue par création d’un arc électrique entre le matériau (nécessairement conducteur électrique) et une électrode en tungstène.
• Métastable
  Caractère d’une phase qui est observée alors qu’elle n’est pas stable [du point de vue thermodynamique]. Son évolution vers un état stable est ralentie (voire bloquée) par une cinétique très lente.
• Superalliage
  Alliage d'une dizaine d'éléments métalliques et présentant, à haute température, des propriétés mécaniques et une résistance à l'oxydation nettement supérieures à celles des meilleurs aciers.
• Barrière thermique
  Revêtement de basse conductibilité thermique (en général à base de zircone*) destiné à protéger un substrat des hautes températures.
• Zircone
  Autre nom de l’oxyde de zirconium. Solide blanc, utilisé comme réfractaire.
• Ténacité
  Caractérise la résistance d’un matériau à la propagation d’une fissure.
• Fluage
  Déformation progressive d'un matériau soumis de façon prolongée à une contrainte, en général à haute température.

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