11Cr-3Al (TC11)
Introduction au 11Cr-3Al (TC11)
11Cr-3Al, désigné sous le nom de TC11, est un alliage de titane alpha-bêta à haute résistance et haute température, développé principalement pour des applications exigeantes dans l’aéronautique et la production d’énergie. Grâce à d’excellentes propriétés mécaniques à haute température, une résistance supérieure au fluage et un comportement d’oxydation stable, le TC11 est idéal pour des environnements de service jusqu’à 500 °C.
La résistance de l’alliage et sa bonne usinabilité à l’état recuit ou traité en solution en font un excellent candidat pour les pièces en titane usinées CNC. Lorsqu’ils sont fabriqués à l’aide de services d’usinage CNC avancés, les composants en TC11 peuvent atteindre une haute précision, d’excellentes performances en fatigue et une stabilité thermique à long terme pour les structures aéronautiques, les disques de compresseur et les carters de moteurs.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du 11Cr-3Al (TC11)
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (wt.%) | Rôle clé |
|---|---|---|
Titane (Ti) | Équilibre | Base résistante à la corrosion avec stabilité structurelle |
Chrome (Cr) | 10.0–12.0 | Stabilisateur bêta, améliore la résistance à l’oxydation et au fluage |
Aluminium (Al) | 2.5–3.5 | Stabilisateur alpha, augmente la résistance et la tenue à l’oxydation |
Molybdène (Mo) | 0.8–1.5 | Améliore la trempabilité et la résistance au fluage |
Silicium (Si) | ≤0.30 | Améliore la résistance à l’oxydation |
Fer (Fe) | ≤0.50 | Élément résiduel |
Oxygène (O) | ≤0.15 | Renforce la résistance, doit être contrôlé pour préserver la ductilité |
Carbone (C) | ≤0.08 | Élément résiduel |
Hydrogène (H) | ≤0.015 | Contrôlé pour éviter la fragilisation |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 4.57 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1620–1670 °C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 6.3 W/m·K à 100 °C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1.67 µΩ·m à 20 °C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 8.5 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 560 J/kg·K à 20 °C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 115 GPa | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (traité en solution + vieilli)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 950–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2 %) | 850–950 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥10 % | ASTM E8/E8M |
Dureté | 300–340 HB | ASTM E10 |
Résistance au fluage | Excellente jusqu’à 500 °C | ASTM E139 |
Résistance à la fatigue | Élevée | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du 11Cr-3Al (TC11)
Performances à haute température : conserve une résistance à la traction supérieure à 950 MPa et une excellente résistance au fluage en service continu à 450–500 °C.
Stabilité thermique et à l’oxydation : le chrome et l’aluminium favorisent la formation d’un film d’oxyde dense et protecteur, limitant la dégradation du matériau dans les environnements de turbines et d’échappement.
Excellente résistance à la fatigue : adapté aux composants rotatifs ou vibrants soumis à des contraintes thermiques et mécaniques cycliques.
Bonne soudabilité et intégrité structurelle : permet des assemblages fiables et des performances mécaniques constantes après traitement thermique.
Défis et solutions d’usinage CNC pour le titane TC11
Défis d’usinage
Accumulation thermique : le TC11 présente une conductivité thermique relativement faible, entraînant une surchauffe de l’arête de coupe et une réduction de la durée de vie de l’outil lors de l’usinage continu.
Récupération élastique et écrouissage : le module d’élasticité élevé et la tendance à l’écrouissage compliquent la précision des passes finales et le contrôle des copeaux.
Formation d’oxydes abrasifs : la formation d’oxydes de surface durs lors de l’usinage à grande vitesse peut accroître l’usure des outils.
Exigences élevées de qualité de surface : nécessite des états de surface fins (Ra < 0,8 µm) pour les surfaces d’étanchéité et les pièces rotatives aéronautiques.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure à grain fin, plaquettes revêtues | Résistance à l’usure à haute température |
Revêtement | AlTiN ou TiSiN | Résiste à l’adhérence, améliore la résistance à l’oxydation |
Géométrie | Dépouille positive, arête adoucie 0,05 mm | Réduit les efforts de coupe et l’accumulation de chaleur |
Vitesse de coupe | 20–45 m/min | Évite les dommages thermiques et le soudage des copeaux |
Avance | 0.10–0.20 mm/tr | Équilibre pression sur l’outil et qualité de surface |
Arrosage | Émulsion par l’outil ≥100 bar | Améliore l’évacuation des copeaux et le contrôle thermique |
Paramètres de coupe du 11Cr-3Al (TC11) (conformité ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression d’arrosage (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (par l’outil) |
Finition | 40–50 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Traitements de surface pour les pièces en titane TC11
Le pressage isostatique à chaud (HIP) améliore les performances en fatigue et au fluage en éliminant la porosité et en augmentant la densité.
Le traitement thermique comprend un recuit en solution à 950–970 °C et un vieillissement à 500–540 °C pour une résistance optimale au fluage.
Le soudage des superalliages permet l’assemblage structurel sous protection argon avec un traitement de détente après soudage pour garantir l’intégrité aéronautique.
Le revêtement barrière thermique (TBC) protège les pièces en TC11 opérant dans des environnements oxydants et soumis à des cycles thermiques, tels que les carters de turbine.
L’usinage CNC garantit une tolérance de ±0,01 mm et une faible rugosité Ra pour les composants rotatifs critiques.
L’usinage par décharge électrique (EDM) permet la réalisation précise de formes complexes sur des pièces durcies et à parois épaisses.
Le perçage de trous profonds prend en charge des rapports L/D >30:1 avec une rugosité Ra ≤1,6 µm pour les composants de refroidissement haute température.
Les essais de matériaux incluent des essais de fluage, des analyses de phases, des observations SEM et des contrôles non destructifs par ultrasons afin de garantir la solidité structurelle.
Essais et analyses des matériaux
Les composants en TC11 sont soumis à des essais de traction et de fluage à haute température, à une caractérisation microstructurale par SEM et à une détection de défauts par ultrasons conformément aux normes GB, AMS et aux standards aéronautiques.
Applications industrielles du 11Cr-3Al (TC11)
Aéronautique : disques de compresseur, carters moteurs et structures porteuses exposées à des cycles thermiques élevés.
Production d’énergie : utilisé pour les aubes de turbine, les conduits de transition et les chambres de combustion nécessitant une haute résistance à la température.
Équipements industriels : idéal pour les arbres rotatifs et les assemblages mécaniques à forte charge soumis à la fatigue thermique.
Défense : utilisé dans les systèmes de propulsion aéronautiques de défense et les composants de structures.
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