In this work, we evaluated the ability of three numerical methods to predict the phase formation in Cu–Zn binary and Cu–Ti–Zn ternary alloy thin films deposited by DC-magnetron sputter deposition. Molecular dynamics (MD) simulations were carried out to simulate the growth of the alloy film and study the organization at the atomic level. A Machine Learning (ML) approach trained with a recently published bulk HEA (high-entropy alloy) database was used to determine the presence of an amorphous phase, solid solutions, or/and intermetallics. Finally, CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) thermodynamic modeling allows one to simulate the phase diagrams. Crystalline phases formed in experimental films were investigated by grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD). Comparison with CALPHAD results highlights that for pure Ti or binary Cu–Zn films, the thermodynamically stable phases are formed in the films. Less agreement was found at low or high percentage of Ti introduced in the Cu–Zn system, and drastic differences were observed for elemental compositions close to equimolarity. In those cases, the out of equilibrium nature of the magnetron sputtering deposition technique is evidenced. The very limited agreement between the GIXRD and ML approach is explained by the available database, which is exclusively based on bulk alloys. Elemental composition of the alloy does not itself determine the stabilized phases: elaboration techniques are to be taken into account too. MD simulations bring information on a possible segregation of the Zn element to the surface and grain boundaries. A very good agreement is evidenced between the calculated and experimental diffraction patterns.

Scaling up the production of TiAl turbine wheels for passenger car turbochargers requires the fabrication of thin blades that are similar to those of nickel-based superalloys. To achieve this, the molten metal fillability and impact resistance of thin blades must be improved. In this study, the effects of composition on these properties are predicted using simple laboratory experiments with binary, ternary, and practical alloys and are then verified with actual turbine wheels. The melt fillability of the turbine wheel blade is predicted using the amount of molten metal passing through an Al₂O₃-1%SiO₂ mesh. The binary alloy exhibits the best fillability, which is reduced by the addition of Cr and Si. Charpy impact tests on as-cast materials at 25 and 850 °C show that the addition of Cr and Mn improves the impact resistance, but the addition of Nb, W, Mo and Si reduces it. Therefore, the molten metal fillability and/or impact resistance of practical TiAl alloys containing such additives owing to other requirements are low and require improvement for use in thin-blade turbine wheel applications.

This work provides a comprehensive investigation into the synergistic effects of zirconium and oxygen on the microstructural evolution, high-temperature oxidation resistance, and mechanical properties of γ-phase Ti52AlxZr alloys (x = 0, 0.5, 1, and 2 at.%) under systematically controlled oxygen concentrations. Unlike prior studies that have examined these alloying elements in isolation, this study uniquely decouples the contributions of interstitial (oxygen) and substitutional (zirconium) solutes by employing low (LOx) and high (HOx) oxygen levels. Alloys were synthesized via vacuum arc melting and subsequently subjected to homogenization annealing at 1250 °C for 100 h to ensure phase and microstructural stability. Characterization techniques including scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and electron backscatter diffraction (EBSD) were employed to elucidate phase constitution and grain morphology. Zirconium addition was found to stabilize the γ-TiAl matrix, suppress α₂-phase formation, and promote grain coarsening in LOx specimens. Conversely, elevated oxygen concentrations led to α₂-phase precipitation along grain boundaries. Mechanical testing, comprising Vickers hardness and uniaxial compression at ambient and elevated temperatures (800 °C), revealed that both zirconium and oxygen significantly enhanced strength and hardness, with Ti52Al2Zr delivering optimal mechanical performance. Moreover, zirconium substantially improved oxidation resistance by promoting the formation of a thinner, adherent Al₂O₃ scale while simultaneously inhibiting TiO₂ growth. Collectively, the findings demonstrate the critical role of zirconium in engineering advanced γ-TiAl-based intermetallics with superior high-temperature structural integrity and oxidation resistance.

Les alliages intermétalliques base TiAl sont une classe émergente de matériaux structuraux. Leurs propriétés mécaniques spécifiques particulièrement élevées permettent leur emploi pour des applications aéronautiques. Du fait de leur très bonne résistance au fluage, les alliages TiAl ont récemment été introduits comme aubes de turbines basse pression dans de nouveaux moteurs aéronautiques tels que le CFM-LEAP, en substitution de superalliages base nickel, pour des applications allant jusqu’à 700°C. Toutefois, dans la mesure où le développement de nouveaux moteurs implique une élévation des températures de fonctionnement, il devient nécessaire d’identifier un moyen permettant d’élever la résistance en température de ces alliages.L’une des manières d’atteindre cet objectif est d'inclure des éléments réfractaires, tels que le tungstène, dans la composition des alliages TiAl. D'un point de vue expérimental, l'impact des ajouts de tungstène sur les propriétés des alliages TiAl a déjà été partiellement étudié et montre notamment un rôle très bénéfique sur la tenue en fluage. Cependant, le manque de données thermodynamiques limite fortement l'optimisation de tels alliages. Contrairement au système binaire Al-Ti et à certains systèmes ternaires tels que Al-Ti-Nb, le système ternaire Al-Ti-W reste assez méconnu dans la mesure où peu de données thermodynamiques ont été publiées sur ce système.Ces travaux de thèse visent à étudier expérimentalement les équilibres du système ternaire Al-Ti-W afin de déterminer son diagramme de phases. Dans le cadre de notre étude, nous avons élaboré et étudié expérimentalement un large panel de nuances binaires et ternaires afin d’être en mesure de proposer une nouvelle description complète du système ternaire.Le premier volet de l’étude a porté sur l’étude du sous-système binaire Ti-W afin de mieux comprendre son diagramme de phases. Les équilibres de phases identifiés ont permis de montrer un bon accord avec les données bibliographiques, notamment au sujet de la lacune de miscibilité de la phase cubique centrée beta.Le second volet de cette thèse a porté sur l’étude de la solidification des alliages ternaires du système Al-Ti-W. Nous avons mis en évidence, pour la gamme de compositions étudiée, la possibilité d’observer deux phases primaires de solidification distinctes à savoir beta(Ti), prédominante pour les alliages faiblement alliés en tungstène, et beta(W), prédominante pour les alliages possédant une teneur en tungstène supérieure à 10 at.%. Nous nous sommes également appuyés sur des simulations thermodynamiques de type CALPHAD afin de mieux comprendre ces processus de solidification. Les phénomènes de ségrégation chimique aux échelles microscopiques et macroscopiques ont également été quantifiés.Le dernier volet de ce travail de thèse porte sur l’étude des équilibres de phases ternaires par le biais de multiples méthodes expérimentales distinctes. La combinaison de ces résultats a permis de déterminer expérimentalement plusieurs sections isothermes du diagramme de phases.