Des alliages intermétalliques moulés !

Faisabilité par voie de fonderie

Les alliages dits « intermétalliques » sont constitués de combinaisons d’éléments chimiques de type A_mB_n par exemple : Ni₃Al, FeAl, Mo₂Si,… Les caractéristiques mécaniques à haute température –en particulier la tenue au fluage- sont donc excellentes, mais ces alliages sont fragiles à température ambiante.

Le cas particulier des aluminures (alliages intermétalliques pour lesquels l’un des deux éléments est l’aluminium) est intéressant à plus d’un titre : l’aluminium diminue la densité des alliages dans lesquels il est intégré et leur confère une excellente tenue à la corrosion et à l’oxydation même à haute température.

Toutefois, l’oxydabilité de l’aluminium impose des précautions lors de l’élaboration : ces alliages sont ainsi mis en œuvre par fusion sous vide ou métallurgie des poudres ; leur usinage difficile demande une mise en forme en fonderie à cire perdue. 
Des alliages intermétalliques basés sur le fer et l’aluminium –éléments relativement bon marché, en comparaison du titane et du nickel- pourraient être utilisés par exemple dans le cas d’applications où la pression économique est élevée, comme l’industrie automobile, tout en permettant d’améliorer significativement les performances des moteurs –allègement, réduction des émissions.

CTIF a travaillé sur la mise au point d’un procédé d’élaboration de ces alliages fer-aluminium, qui, associé à une coulée en carapaces Croning (fournies par le partenaire industriel du projet, St Jean Industrie Laval) permettrait de se passer de la fusion sous vide et de la fonderie à cire perdue. La faisabilité d’une pièce réelle a été démontrée (un carter de turbine) en alliage de type Fe₃Al, c’est-à-dire titrant 13.8 d’aluminium, sans perte ni oxydation excessive de l’aluminium. L’objectif était également 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 transfert en conditions industrielles. Les essais effectués montrent toutefois la grande sensibilité de l’alliage au mode de remplissage de l’empreinte.

Carter de turbine en alliage de type Fe3Al. A droite : système de
remplissage optimisé 

Conformément à la littérature, l’alliage Fe₃Al apparaît par ailleurs comme très ductile à chaud, avec l’apparition d’un phénomène de Portevin-Le Chatelier, caractéristique des alliages dont la microstructure évolue avec la déformation plastique.

L’alliage reste fragile à température ambiante. Sa composition doit donc être optimisée en fonction de l’utilisation prévue.

De multiples applications

Les intermétalliques ont un réel potentiel pour la fabrication de pièces fortement contraintes et où les superalliages peuvent être un frein en termes de prix. Parmi les applications, on peut retrouver en particulier des pièces structurales mais également des pièces travaillant dans des environnements agressifs soumis à la corrosion (milieu marin) ou à des hautes températures (ex. : composants de moteurs automobile comme ci-dessus).

Au-delà des applications automobiles, parmi les principaux marchés potentiels où les intermétalliques seraient pertinents nous pouvons citer :

• L’énergie :
  • les turbines à gaz industrielles (injecteurs, vannes, pales de turbine, rotors, roues de turbine),
  • les chaudières industrielles,
  • les échangeurs de chaleur ou de turbines avec des superalliages réfractaires (alliages base fer et nickel, alliages base nickel, alliages base cobalt).
• L’industrie de la chimie et l’industrie pétrolière et gazière, du fait des ambiances corrosives (fabrication des composants pour têtes de puits, des outils de forage ou pour des pièces de robinetterie).
• Applications marines (plateforme off-shore, naval, dessalement);
• Industries de procédés : industrie verrière, papèterie (moules, pièces soumises à l’érosion et à la corrosion).
• Et bien sûr l’aéronautique pour des questions d’allégement !

Enfin, bien que ces alliages intermétalliques soient connus depuis plusieurs années, leur utilisation reste relativement confidentielle pour deux raisons majeures : leur comportement à température ambiante et leur faible résistance au fluage. Aussi, est-il déterminant de bien connaître au préalable les contraintes fonctionnelles recherchées pour choisir la meilleure composition et le mode d’élaboration optimal.

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