Présentation

Article

1 - HISTORIQUE

2 - SÉLECTION DES SUPERALLIAGES

3 - MÉTALLURGIE DES SUPERALLIAGES

4 - ÉLABORATION

5 - TRANSFORMATION

6 - SUPERALLIAGES OBTENUS PAR FONDERIE

7 - SUPERALLIAGES OBTENUS PAR MÉTALLURGIE DES POUDRES

8 - TRAITEMENT THERMIQUE

9 - PARACHÈVEMENT : CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS, USINAGE, SOUDAGE

10 - RELATIONS ENTRE STRUCTURES ET PROPRIÉTÉS

11 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

12 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : M4770 v1

Élaboration
Superalliages

Auteur(s) : Philippe HERITIER

Date de publication : 10 juil. 2022

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Sommaire

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RÉSUMÉ

Cet article présente les superalliages, dont l’histoire évolue parallèlement à celle de l’aéronautique. En expliquant la métallurgie des superalliages, depuis leur composition chimique jusqu’à leur rôle dans le principe de durcissement, cette présentation détaille les principaux procédés de fabrication : élaboration sous vide suivi d’une refusion sous vide où sous laitier pour les alliages conventionnels forgés ou laminés ; atomisation sous vide et consolidation par extrusion et par forgeage isotherme pour les alliages issus de la métallurgie des poudres ; procédé de fonderie appliqué aux superalliages polycristallins, à solidification directionnelle et monocristallins ; transformation ; traitement thermique ; contrôles non destructifs.

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ABSTRACT

Superalloys

This article introduces superalloys, whose history evolves in parallel with that of aeronautics. By explaining the metallurgy of superalloys, from their chemical composition to their role in the aging principle, this presentation details the main manufacturing processes: vacuum melting followed by remelting under vacuum or under slag protection for conventional forged or rolled alloys; vacuum atomization and consolidation by extrusion and isothermal forging for alloys from powder metallurgy; investment casting applied to polycrystalline, directional solidification and monocrystalline superalloys; conversion; heat treatment; non destructive inspection.

Auteur(s)

  • Philippe HERITIER : Sénior métallurgiste - Ancien Directeur technique (Recherche et développement, services métallurgiques, technique application) d’Aubert & Duval, Clermont Ferrand, France

INTRODUCTION

Le terme « superalliages » est généralement réservé aux alliages austénitiques qui, utilisés à des températures élevées, supérieures à 500 °C, présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles :

  • résistance mécanique ;

  • ténacité ;

  • tenue au fluage ;

  • résistance à l’oxydation et à la corrosion ;

  • stabilité structurale.

Il existe trois familles de superalliages :

  • alliages base nickel ;

  • alliages base fer-nickel ;

  • alliages base cobalt.

Le développement des superalliages s’est largement appuyé sur les innovations issues de la chimie des alliages et des procédés de fabrication. Il a été principalement stimulé par les industries de l’aérospatiale et de l’énergie.

Si les superalliages ont eu un tel succès c’est parce qu’ils ont répondu aux exigences pressantes de propriétés en service. Il y a un siècle, générer une telle puissance dans les machines et les systèmes de propulsion était à peine imaginable. Les superalliages nous ont aidés à conquérir l’air et l’espace, à atteindre les profondeurs de la Terre et de l’océan, et à relever nombre d’autres défis de la vie moderne.

En tant que tels, ils méritent que leur histoire soit racontée, leur métallurgie expliquée, leur mise en œuvre illustrée. Il s’agit toutefois d’une tâche difficile. L’évolution de cette industrie s’est en effet déroulée au fil d’une multitude de petits et grands événements, d’une multitude d’inventions plus ou moins importantes, à la croisée des frontières, des nations, et des industries diverses. Tant de personnes ont contribué à l’état de l’art en 2022, que l’éclairage que l’on va tenter d’y apporter sera forcément imparfait. Mais il sera aussi exhaustif que possible.

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KEYWORDS

aeronautics   |   melting   |   vacuum   |   superalloys   |   Single crystals

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4770


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4. Élaboration

Un grand nombre de superalliages, particulièrement les bases Fe – Ni et Co, sont élaborés à l’air dans les mêmes conditions que les aciers inoxydables. Toutefois, le procédé de première fusion au four à induction sous vide est nécessaire pour les alliages utilisés à des niveaux de contrainte élevés. Dans le cas de la fabrication de lingots, la fusion au four à induction sous vide (FIV) permet d’obtenir une électrode qui est par la suite refondue sous vide (RAV) ou sous laitier (RSL). L’utilisation du four FIV permet de réduire les teneurs en gaz (O, N), et de mieux contrôler les teneurs d’éléments les plus réactifs : Al, Ti, etc.

4.1 Four à induction sous vide – FIV (Vacuum Induction Melting – VIM)

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4.1.1 Bénéfices et limitations de l’utilisation du FIV

  • Bénéfices :

    • isolation de la coulée :

      • empêche les contacts et réactions avec l’air (O2/N2),

      • produit des coulées propres, minimise les inclusions,

      • permet un contrôle sur la pression et les gaz dans le système ; permet l’utilisation d’argon ou d’autres gaz,

      • propriétés supérieures comparativement à une fusion à l’air ;

    • accélération des réactions d’affinage :

      • élimine les gaz dissous et les constituants volatils,

      • permet un haut degré de pureté,

      • favorise la dissociation des composés (oxydes, nitrures, etc.),

      • conduit certaines réactions au bout (désoxydation, etc.),

      • rend pratique la refusion de chutes,

      • addition d’éléments plus efficace ;

    • brassage par induction :

      • homogénéise la composition de la coulée,

      • apporte les réactants à la surface (accélère les réactions),

      • permet une excellente reproductibilité de la composition et des propriétés.

  • Limitations :

    • coulées...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KRACKE (A.) -   Superalloys, the most successful alloy system of modern times – Past, present and future.  -  7th International symposium on superalloys 718 and Derivatives, p. 13, TMS (The minerals, Metals and Materials Society) (2010).

  • (2) - HEANEY (J.A.), LASONDE (M.L.), POWELL (A.M.), BOND (B.J.), O’BRIEN (C.M.) -   Development of a new cast and wrought alloy (Rene 65) for high temperature applications.  -  8th International symposium on superalloys 718 and Derivatives, TMS (2014).

  • (3) - DEVAUX (A.), GEORGES (E.), HERITIER (P.) -   Properties of new C&W superalloys for high temperature disk applications.  -  Superalloys 718, 625, 706 and Various Derivatives, édité par OTT (E.), GROH (J.), BANIK (A.), DEMPSTER (I.), GABB (T.), HELMINK (R.), LIU (X.), MITCHELL (A.), SJOBERG (G.) et WUSATOWSKA-SARNEK (A.), TMS, p. 223-235 (2010).

  • (4) - GUEDOU (J.-Y.) -   Introduction des superalliages base nickel dans l’aéronautique.  -  Journée 3AF, Les superalliages base nickel ONERA, 16 juin 2016.

  • (5) - FRANCHET (J.M.) -   Superalliages...

1 Événements

International Symposium on Superalloys. Seven Springs. État-Unis. Conférence internationale sur les superalliages, qui a lieu tous les 4 ans. TMS (The minerals, Metals and Materials Society) http://www.tms.org

International Symposium on Superalloys 718 and Derivatives. Pittsburgh, État-Unis. Conférence sur les superalliages 718 et dérivés ayant lieu tous les 4 ans aux États-Unis. TMS (The Minerals, Metals and Materials Society) http://www.tms.org

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2 Annuaire

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2.1 Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)

Proceedings of the International Symposium on Superalloys (Seven Springs) (1968-1972-1976-1980-1984-1988-1992-1996-2000-2004-2008-1012-2016- 2020)

Proceedings of the International symposium on superalloys 718 and Derivatives (1989-1991-1994-1997-2001-2005-2010-2014-2018)

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