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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

Transformation
Superalliages

Auteur(s) : Philippe HERITIER

Date de publication : 10 juil. 2022

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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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5. Transformation

5.1 Homogénéisation

La première étape avant transformation consiste en une homogénéisation (traitement thermique à haute température) qui a deux objectifs :

  • la mise en solution de phases intermétalliques issues de la solidification dans les zones inter dendritiques et néfastes à l’utilisation du métal ;

  • la diffusion des éléments d’alliage entre la zone dendritique et la zone inter dendritique.

Pour ces deux raisons, cette étape d’homogénéisation se situe à des températures élevées, permettant la mise en solution des phases nocives. De plus, afin d’obtenir une diffusion suffisante des éléments d’alliage, cette étape doit durer relativement longtemps (24 à 72 h). Ce traitement est suivi d’un refroidissement lent jusqu’à la température de transformation.

La figure 16 illustre ces deux effets sur un lingot en alliage IN718. On constate d’une part la mise en solution des phases de laves présentes à l’état brut de solidification, et d’autre part l’évolution de la répartition de la teneur en niobium dans le métal.

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5.2 Objectif de la transformation

La structure du lingot après refusion RAV ou RSL est généralement grossière avec des grains pouvant atteindre des dimensions d’un ou plusieurs cm comme l’illustre la figure 17. La transformation par forgeage ou laminage va permettre d’affiner cette microstructure. L’objectif est d’obtenir une microstructure nécessaire aux propriétés d’utilisation, c’est-à-dire présentant des grains de taille inférieure à 0,1 mm.

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5.3 Intervalle de forgeabilité

L’intervalle de forgeabilité est la plage de température pour laquelle le produit est transformable, c’est-à-dire qu’il présente une ductilité suffisante (striction Z > 50/60 %) (figure 18). Plus l’alliage est chargé...

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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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