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Mise au point de nouveaux alliages par voie de fonderie : les intermétalliques

CTIF travaille actuellement sur la mise au point d’un procédé d’élaboration d’un alliage intermétallique (fonte à teneur élevée en aluminium), pour application à des carters de turbocompresseurs. Ce projet est mené en partenariat avec St Jean Industries Laval, spécialiste de la fabrication de ce type de pièces selon le procédé Croning, en acier réfractaire et en fonte GS.

Pourquoi les intermétalliques ?

Les alliages dits « intermétalliques » sont constitués de combinaisons d’éléments chimiques de type AmBn par exemple : Ni3Al, FeAl, Mo2Si,…

La structure cristalline de ces alliages est ordonnée, c’est-à-dire que les atomes de A et de B se placent toujours aux mêmes endroits de la maille élémentaire. De ce fait, la déformation plastique de ces alliages par glissement de plans cristallins est rendue difficile (la structure ordonnée étant rompue) ; les caractéristiques mécaniques à haute température –en particulier la tenue au fluage- sont donc excellentes, mais la structure ordonnée rend ces alliages fragiles à température ambiante.

Le cas particulier des aluminures (alliages intermétalliques pour lesquels l’un des deux éléments est l’aluminium) est intéressant à double titre : l’aluminium possède une faible masse atomique, il diminue donc la densité des alliages dans lesquels il est intégré. Par ailleurs, l’aluminium confère à l’alliage une excellente tenue à la corrosion et à l’oxydation même à haute température, sa présence conduisant  à la formation d’une pellicule d’alumine protectrice à la surface des pièces.

Toutefois, la présence d’aluminium et d’autres éléments facilement oxydables (titane) impose des précautions lors de l’élaboration : ces alliages sont ainsi actuellement mis en œuvre par fusion sous vide ou métallurgie des poudres ; leur usinage difficile demande une mise en forme en fonderie à cire perdue.

Un alliage déjà utilisé en aéronautique

L’alliage intermétallique TiAl, est désormais intégré au panel des alliages métalliques utilisés en aéronautique, en particulier dans la nacelle moteur et les recherches se poursuivent sur d’autres alliages –NiAl, Ni3Al, Mo2Si… Ces alliages sont appelés à être de plus en plus utilisés et transférés à d’autres domaines, mais devront faire face à des exigences de productivité. Des alliages intermétalliques basés sur le fer et l’aluminium –éléments relativement bon marché, en comparaison du titane et du nickel- pourraient ainsi être utilisés dans le cas de l’industrie automobile, en permettant d’améliorer significativement les performances des moteurs –allègement, réduction des émissions.

Mise au point avec un procédé conventionnel

Le procédé mis au point par CTIF consiste en l’élaboration de l’alliage (en particulier l’introduction de l’aluminium), dans un bassin de traitement placé sur un caisson contenant le moule et préalablement inerté. Ce procédé appliqué aux alliages intermétalliques, également avec des carapaces Croning, permettrait de se passer de la fusion sous vide et de la fonderie à cire perdue.

Le projet de recherche actuellement en cours, a pour objectif de démontrer la faisabilité d’une pièce représentative en alliage intermétallique, en l’occurrence des aluminures de fer, choisis pour leurs propriétés : coût réduit et faible densité.

Les aspects qui font l’objet des investigations sont les suivants :

  • Possibilité de transposition du procédé d’élaboration d’une fonte à 4% d’aluminium à un alliage intermétallique de type Fe3Al ou FeAl, c’est-à-dire titrant 13,8 ou 32,5% d’aluminium, respectivement ;
  • Détermination des principales propriétés de fonderie de ces alliages, en particulier : températures de début et de fin de solidification (liquidus et solidus), retrait lors de la solidification (tendance à la retassure), coulabilité ;
  • Elaboration et coulée des alliages sans perte ni oxydation excessive de l’aluminium;
  • Caractéristiques mécaniques et usinabilité des alliages élaborés.

A l’issue de ces premiers essais, l’objectif est de déterminer les paramètres les plus importants devant être pris en compte pour élaborer ces alliages en fonderie traditionnelle – moulage sable et coulée en atmosphère naturelle- pour un possible transfert en conditions industrielles d’ici quelques mois.

Contact Gilles Regheere

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