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FR3091709A1 - Superalliage à base de nickel à tenue mécanique élevée à haute température - Google Patents

Superalliage à base de nickel à tenue mécanique élevée à haute température Download PDF

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FR3091709A1
FR3091709A1 FR1900390A FR1900390A FR3091709A1 FR 3091709 A1 FR3091709 A1 FR 3091709A1 FR 1900390 A FR1900390 A FR 1900390A FR 1900390 A FR1900390 A FR 1900390A FR 3091709 A1 FR3091709 A1 FR 3091709A1
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Universite de Nantes
Safran SA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Safran SA
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Abstract

Superalliage à base de nickel à tenue mécanique élevée à haute température L’invention concerne un superalliage à base nickel comprenant, en pourcentages massiques, 4 à 6% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.

Description

Superalliage à base de nickel à tenue mécanique élevée à haute température
La présente invention se rapporte au domaine général des superalliages à base de nickel pour des turbomachines, notamment pour les aubes fixes, aussi appelées distributeurs ou redresseurs, ou les aubes mobiles, ou encore les segments d’anneau.
Les superalliages à base de nickel sont généralement utilisés pour les parties chaudes des turbomachines, c’est-à-dire les parties des turbomachines situées en aval de la chambre de combustion.
Les superalliages à base de nickel ont pour principaux avantages de combiner à la fois une résistance au fluage élevée aux températures comprises entre 650°C et 1200°C, ainsi qu’une résistance à l’oxydation et à la corrosion.
La tenue aux hautes températures est principalement due à la microstructure de ces matériaux, qui est composée d’une matrice γ-Ni de structure cristalline cubique à faces centrées (CFC) et de précipités durcissants ordonnés γ’-Ni3Al de structure L12.
Afin d’améliorer la résistance de la pièce en superalliage à un environnement corrosif et/ou oxydant, comme par exemple des gaz de combustion, un revêtement protecteur peut être déposé sur la pièce.
Le revêtement protecteur peut également avoir un rôle d’isolant thermique afin de réduire la température vue par le substrat en superalliage sur lequel le revêtement protecteur est déposé.
Le revêtement protecteur est généralement composé d’une première couche, et d’une deuxième couche déposée sur la première couche.
La première couche, généralement appelée couche de liaison ou sous-couche, est déposée sur le superalliage. La première couche est communément composée d’un alliage aluminoformeur.
La deuxième couche, généralement appelée barrière thermique, est un revêtement poreux en céramique.
Cependant, à haute température, un important phénomène de d’inter-diffusion à l’échelle microscopique a lieu entre la première couche et le superalliage, modifiant ainsi leurs compositions chimiques respectives. La modification chimique du superalliage et de la première couche modifie leurs propriétés, influençant ainsi l’adhérence du revêtement protecteur.
Par ailleurs, lors de la fabrication de la pièce en superalliage, des grains parasites de type « Freckle » peuvent se former. Ces grains parasites sont susceptibles de provoquer une rupture prématurée de la pièce.
La présente invention a pour but de proposer des compositions de superalliages à base de nickel qui permettent d’améliorer l’adhésion entre le superalliage et le revêtement protecteur.
La présente invention a également pour but de proposer des compositions de superalliages à base de nickel qui permettent d’améliorer les caractéristiques mécaniques, et notamment la résistance au fluage.
Un autre but de la présente invention est de proposer des compositions de superalliage qui possède une bonne résistance à l’environnement, et notamment la résistance à la corrosion et la résistance à l’oxydation.
La présente a également pour but de proposer des compositions de superalliage qui possède une masse volumique réduite.
Selon un premier aspect, l’invention propose un superalliage à base de nickel comprenant, en pourcentages massiques, 4 à 6% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
On définit par alliage à base de nickel un alliage dont le pourcentage massique en nickel est majoritaire.
On définit les impuretés inévitables comme les éléments qui ne sont pas ajoutés de manière intentionnelle dans la composition et qui sont apportés avec d’autres éléments. Parmi les impuretés inévitables, on peut notamment citer le carbone (C), le soufre (S).
Le superalliage à base de nickel selon l’invention dispose d’une bonne stabilité microstructurale en température, permettant ainsi d’obtenir des caractéristiques mécaniques élevées en température.
Le superalliage à base de nickel selon l’invention permet d’améliorer la tenue d’un revêtement protecteur sur ledit superalliage grâce à l’absence de titane (Ti).
Le superalliage à base de nickel selon l’invention dispose d’une résistance élevée à la corrosion et à l’oxydation.
Le superalliage à base de nickel selon l’invention permet de réduire la sensibilité à la formation de défauts de fonderie.
Le superalliage à base de nickel selon l’invention permet de disposer d’une masse volumique inférieure à 8,9 g.cm-3.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Par ailleurs, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Dans cette variante, le silicium est une impureté inévitable.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,2 à 0,5% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 3,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut en outre comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 7% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 7,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
La pièce peut être un élément d’une turbine de turbomachine d’aéronef, par exemple une turbine haute-pression ou une turbine basse-pression, ou bien un élément de compresseur, et notamment de compresseur haute pression.
Selon une caractéristique additionnelle, la pièce de turbine ou de compresseur peut être une aube, ladite aube pouvant être une aube mobile ou une aube fixe, ou bien un secteur d’anneau.
Selon une autre caractéristique, la pièce de turbomachine comprend un revêtement protecteur thermique formé d’une couche de liaison déposée sur le superalliage à base de nickel, et une couche de barrière thermique déposée sur la couche de liaison.
Selon une autre caractéristique, la pièce de turbomachine est monocristalline, de préférence avec une structure cristalline orientée selon une direction cristallographique <001>.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes par fonderie.
Selon une caractéristique additionnelle, le procédé comprend le dépôt d’un revêtement protecteur thermique sur la pièce en superalliage à base de nickel selon les étapes suivantes :
- dépôt d’une couche de liaison sur la pièce ;
- dépôt d’une couche de barrière thermique sur la couche de liaison.
Le superalliage selon l’invention comprend une base de nickel à laquelle sont associés des éléments d’addition majeurs.
Les éléments d’addition majeurs comprennent : le cobalt Co, le chrome Cr, le molybdène Mo, le tungstène W, l’aluminium Al, le tantale Ta, le titane Ti, et le rhénium Re.
Le superalliage peut également comprendre des éléments d’addition mineurs, qui sont des éléments d’addition dont le pourcentage maximum dans le superalliage ne dépasse pas 1% en pourcentage massique.
Les éléments d’addition mineurs comprennent : le hafnium Hf et le silicium Si.
Le superalliage à base de nickel comprend, en pourcentages massiques, 4 à 6% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4 à 6% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Dans cette variante le silicium est une impureté inévitable.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Dans cette variante le silicium est une impureté inévitable.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,2 à 0,5% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 3,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
De manière avantageuse, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 7% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
De manière préférentielle, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 7,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le cobalt, le chrome, le tungstène, le molybdène et le rhénium participent principalement au durcissement de la phase γ, la matrice austénitique de structure CFC.
L’aluminium et le tantale favorisent la précipitation de la phase γ’, la phase durcissante Ni3(Al, Ti, Ta) de structure cubique ordonnée L12.
Par ailleurs, le rhénium permet de ralentir les processus diffusifs, de limiter la coalescence de la phase γ’, améliorant ainsi la résistance au fluage à haute température. Toutefois, la teneur en rhénium ne doit pas être trop importante afin de ne pas impacter négativement les autres propriétés mécaniques de la pièce en superalliage.
Les éléments réfractaires que sont le molybdène, le tungstène, le rhénium et le tantale permettent également de ralentir les mécanismes contrôlés par la diffusion, améliorant ainsi la résistance au fluage de la pièce en superalliage.
En outre, le chrome et l’aluminium permettent d’améliorer la résistance à l’oxydation et à la corrosion à haute température, notamment aux environs des 900°C pour la corrosion, et aux environs des 1100°C pour l’oxydation.
Le hafnium permet également d’optimiser la tenue à l’oxydation à chaud du superalliage en augmentant l’adhérence de la couche d’alumine Al2O3qui se forme à la surface du superalliage à haute température en milieu oxydant.
Le silicium peut également permettre d’optimiser la tenue à l’oxydation à chaud du superalliage.
Par ailleurs, le chrome et de cobalt permettent de diminuer la température de solvus γ’ du superalliage.
Le cobalt est un élément chimiquement proche du nickel qui se substitue en partie au nickel pour former une solution solide dans la phase γ, permettant ainsi de renforcer la matrice γ, de réduire la sensibilité à la précipitation de phases topologiquement compactes, notamment les phases µ, P, R, et σ, et les laves, et de réduire la sensibilité à la formation de zone de réaction secondaire (ZRS).
En outre, le fait que le superalliage ne comprend pas de titane est bénéfique pour la tenue et la durée de vie d’un revêtement protecteur thermique déposé sur le superalliage.
Une telle composition de superalliage permet d’améliorer les propriétés de tenue mécanique à haute température (650°C-1200°C) des pièces fabriquées à partir dudit superalliage.
Notamment, une telle composition de superalliage permet d’obtenir une contrainte de rupture minimum de 290MPa à 950°C pendant 1100h, ainsi qu’une contrainte de rupture minimum de 150Mpa à 1050°C pendant 550h, et ainsi qu’une contrainte de rupture minium de 55MPa à 1200°C pendant 510h.
De telles propriétés mécaniques sont notamment dues à une microstructure comprenant une phase γ et une phase γ’, et une teneur en phases topologiquement compactes maximale de 6%, en pourcentage molaire. Les phases topologiquement compactes comprennent les phases µ, P, R, et σ, ainsi que les Laves. La microstructure peut également comprendre les carbures suivants : MC, M6C, M7C3, et M23C6.
Par ailleurs, ces propriétés mécaniques de résistance au fluage en température sont obtenues grâce à une meilleure stabilité de la microstructure entre 650°C et 1200°C.
Une telle composition de superalliage permet également d’obtenir une résistance à l’oxydation et à la corrosion élevée des pièces fabriquées à partir dudit superalliage. La résistance à la corrosion et à l’oxydation est obtenue en assurant un minimum de 9,5%, en pourcentage atomique, d’aluminium dans la phase γ à 1200°C, et un minimum de 7,5%, en pourcentage atomique, de chrome dans la phase γ à 1200°C, assurant ainsi la formation d’une couche protectrice d’alumine à la surface du matériau.
De plus, une telle composition de superalliage permet de simplifier le procédé de fabrication de la pièce. Une telle simplification est assurée en obtenant une différence d’au moins 10°K entre la température de solvus des précipités γ’ et la température de solidus du superalliage, facilitant ainsi la mise en œuvre d’une étape de remise en solution des précipités γ’ lors de la fabrication de la pièce.
En outre, une telle composition de superalliage permet d’améliorer la fabrication en réduisant le risque de formation de défauts lors de la fabrication de la pièce, et notamment la formation de grains parasites de type « Freckles » lors de la solidification dirigée.
En effet, la composition de superalliage permet de réduire la sensibilité de la pièce à la formation de grains parasites « Freckles ». La sensibilité de la pièce à la formation de grains parasites « Freckles » est évaluée à l’aide du critère de Konter, noté NFP, qui est donné par l’équation (1) suivante :
Où %Ta correspond à la teneur de tantale dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %Hf correspond à la teneur de hafnium dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %Mo correspond à la teneur de molybdène dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %Ti correspond à la teneur de titane dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %W correspond à la teneur de tungstène dans le superalliage, en pourcentage massique ;et où %Re correspond à la teneur de rhénium dans le superalliage, en pourcentage massique.
La composition de superalliage permet d’obtenir un paramètre NFP supérieur ou égal à 0,7, valeur à partir de laquelle la formation de grains parasites « Freckles » est fortement réduite.
Par ailleurs, une telle composition de superalliage permet d’obtenir une masse volumique réduite, notamment une masse volumique inférieure à 8,9 g/cm3.
Le tableau 1 ci-dessous donne la composition, en pourcentages massiques, de quatre exemples de superalliages selon l’invention, les exemples 1 à 4, ainsi que des superalliages commerciaux ou de référence, les exemples 5 à 9. L’exemple 5 correspond au superalliage René®N5, l’exemple 6 correspond au superalliage CMSX-4®, l’exemple 7 correspond au superalliage CMSX-4 Plus® Mod C, l’exemple 8 correspond au superalliage René®N6, et l’exemple 9 correspond au superalliage CMSX-10 K®.
Le tableau 2 donne des caractéristiques estimées des superalliages cités dans le tableau 1. Les caractéristiques données dans le tableau 2 sont la densité (la masse volumique), le critère de Konter (NFP), ainsi que la contrainte de rupture à 950°C pendant 1100h, la contrainte de rupture à 1050°C pendant 550h, et la contrainte de rupture à 1200°C pendant 510h, les contraintes de rupture sont nommées CRF dans le tableau 2, pour critère de fluage.
Comme illustré dans le tableau 2, les superalliages selon l’invention permettent de maintenir la masse volumique en dessous de 8,9 g.cm-3, rendant ainsi compatibles les superalliages selon l’invention avec des applications tournantes, telles que par exemple les aubes de turbine.
Par ailleurs, la microstructure des superalliages selon l’invention permet d’améliorer les propriétés mécaniques à haute température desdits superalliages selon l’invention. Une telle microstructure est obtenue en favorisant le durcissement de la matrice γ à haute température plutôt que de favoriser un durcissement par précipitation γ’, la favorisation du durcissement de la matrice γ étant obtenue par l’enrichissement en éléments de durcissement tes que le rhénium, le tungstène, le molybdène, le chrome et le cobalt.
Comme visible dans le tableau 2, les alliages selon l’invention présentent une contrainte de rupture à 950°C pendant 1100h supérieure à 290 MPa, voire supérieure ou égale 300 MPa pour les exemples 1, 3 et 4, tandis qu’au maximum l’alliage selon l’exemple 9 présente une contrainte de rupture à 950°C pendant 1100h de 285 MPa. De plus, les alliages selon l’invention présentent une contrainte de rupture à 1050°C pendant 550h supérieure à 180 MPa, tandis qu’au maximum l’alliage selon l’exemple 9 présente une contrainte de rupture à 1050°C pendant 550h de 160 MPa. En outre, les alliages selon l’invention présentent une contrainte de rupture à 1200°C pendant 510h supérieure à 75 MPa, voire supérieure ou égale 80 MPa pour les exemples 1, 2 et 4, tandis qu’au maximum l’alliage selon l’exemple 5 présente une contrainte de rupture à 1200°C pendant 510h de 73 MPa. Ainsi, à 1200°C, les alliages selon l’invention possèdent une contrainte à la rupture globalement 10% à 30% supérieure à la contrainte à la rupture des alliages des exemples 5 à 9.
Le tableau 3 donne des caractéristiques estimées des superalliages cités dans le tableau 1. Les caractéristiques données dans le tableau 3 sont les différentes températures de transformation (le solvus, le solidus et le liquidus), la fraction molaire de la phase γ’ à 900°C, à 1050°C et à 1200°C, la fraction molaire des phases topologiquement compactes (PTC) à 900°C et à 1050°C.
Comme cela est illustré dans le tableau 3, la fraction molaire de phases topologiquement compactes, qui sont des phases fragilisantes, pour les superalliages des exemples 1 à 4 est faible à 900°C (<3%) et nulle à 1050°C, traduisant également une grande stabilité de la microstructure, ce qui est bénéfique pour les caractéristiques mécaniques à haute température.
Le tableau 4 donne des caractéristiques estimées des superalliages cités dans le tableau 1. Les caractéristiques données dans le tableau 4 sont l’activité du chrome dans la phase γ à 900°C, et l’activité de l’aluminium dans la phase γ à 1100°C. Les activités du chrome et de l’aluminium dans la matrice γ sont une indication de la résistance à la corrosion et à l’oxydation, plus l’activité du chrome et l’activité de l’aluminium dans la matrice sont élevées, plus la résistance à la corrosion et à l’oxydation est élevée.
Comme visible dans le tableau 4, les superalliages selon l’invention présentent une activité en chrome à 900°C du même ordre de grandeur que les superalliages des exemples 5 et 6 qui sont des superalliages reconnus pour avoir une résistance élevée à la corrosion. De plus, les superalliages selon l’invention présentent une activité en aluminium à 1100°C supérieure au superalliage selon l’exemple 9, assurant ainsi une résistance à l’oxydation satisfaisante.
Les propriétés données dans les tableaux sont estimées à l’aide de la méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams).
La pièce en superalliage à base de nickel peut être réalisée par fonderie.
La fabrication par fonderie de la pièce est réalisée par fusion du superalliage, le superalliage liquide étant versé dans un moule afin d’être refroidi et solidifié. La fabrication par fonderie de la pièce peut par exemple être réalisée avec la technique de la cire perdue, notamment pour fabriquer une aube.
De plus, le procédé de fabrication de la pièce peut comprendre une étape de dépôt d’un revêtement protecteur thermique sur la pièce en superalliage à base de nickel. Le dépôt du revêtement protecteur thermique est réalisé selon les étapes suivantes :
- dépôt d’une couche de liaison sur la pièce en superalliage ;
- dépôt d’une couche de barrière thermique sur la couche de liaison.
La couche de liaison est composée d’un matériau aluminoformeur, comme par exemple un alliage de type MCrAlY (avec M = Ni et/ou Co), ou bien d’un aluminure de nickel modifié platine. La couche de liaison a pour fonction de former une couche d’alumine qui assure une protection contre l’oxydation du superalliage sous-jacent.
La couche de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre 50µm et 100µm.
La couche de liaison peut être obtenue en déposant sur le superalliage une couche de platine, par exemple par électrodéposition ou par dépôt chimique en phase vapeur, une aluminisation à une température supérieure à 1000°C étant ensuite réalisée afin d’une part de déposer de l’aluminium sur la couche de platine, et d’autre part d’assurer un apport en nickel en provenance du superalliage dans la couche de liaison par diffusion.
La couche de liaison peut également être formée par dépôt d’une pluralité de couches élémentaires en platine, nickel et aluminium, par exemple par dépôt physique en phase vapeur, un traitement thermique étant ensuite réalisé afin d’assurer une réaction entre les métaux des couches déposées.
La couche de barrière thermique peut être une céramique, comme par exemple la zircone yttriée qui offre l’avantage de présenter une très faible conductivité thermique et un coefficient de dilation élevé.
La couche de barrière thermique peut être déposée par projection plasma, ou bien encore par dépôt physique en phase vapeur.
La couche de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre 100µm et 200µm.
Le revêtement protecteur thermique permet, d’une part de limiter la température à laquelle est exposé le superalliage, et d’autre part de protéger le superalliage de l’oxygène de l’environnement dans lequel est située la pièce. Ainsi, le revêtement protecteur est avantageux pour les aubes de turbine qui sont des pièces exposées aux gaz de combustion.
Par ailleurs, afin de réaliser une pièce monocristalline, notamment une aube, le procédé peut comprendre une étape de solidification dirigée. La solidification dirigée est réalisée en contrôlant le gradient thermique et la vitesse de solidification du superalliage, et en introduisant un germe monocristallin, afin d’éviter l’apparition de germes nouveaux en avant du front de solidification.
La solidification dirigée peut notamment permettre la fabrication d’une pièce monocristalline dont la structure cristalline est orientée selon une direction cristallographique <001>, une telle orientation offrant de meilleures propriétés mécaniques.

Claims (13)

  1. Superalliage à base nickel comprenant, en pourcentages massiques, 4 à 6% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  2. Superalliage selon la revendication 1, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  3. Superalliage selon la revendication 2, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  4. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,2 à 0,5% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  5. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 3,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  6. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  7. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 5 à 7% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  8. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d’aluminium, 6 à 8% de cobalt, 7,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  9. Pièce de turbomachine en super alliage à base de nickel selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Pièce selon la revendication 9, dans laquelle ladite pièce comprend un revêtement protecteur thermique formé d’une couche de liaison déposée sur le superalliage à base de nickel, et une couche de barrière thermique déposée sur la couche de liaison.
  11. Pièce selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans laquelle ladite pièce est monocristalline.
  12. Procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 par fonderie.
  13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le procédé comprend le dépôt d’un revêtement protecteur thermique sur la pièce en superalliage à base de nickel selon les étapes suivantes :
    - dépôt d’une couche de liaison sur la pièce ;
    - dépôt d’une couche de barrière thermique sur la couche de liaison.
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