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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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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 :
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résistance mécanique ;
-
ténacité ;
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tenue au fluage ;
-
résistance à l’oxydation et à la corrosion ;
-
stabilité structurale.
Il existe trois familles de superalliages :
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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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3. Métallurgie des superalliages
3.1 Microstructure et phases (bases Ni et Fe-Ni)
La structure métallographique d’un superalliage est constituée par plusieurs phases .
-
Une matrice austénitique γ de structure cubique à face centrée (cfc) où peuvent se substituer au Ni les éléments Co, Cr, Mo, W, et dans une moindre mesure Nb, Al, Ti, Ta. Ces éléments apportent un durcissement en solution solide (figure 7).
-
Des précipités intermétalliques de taille variant entre 0,1 et 300 μm, ordonnés, cohérents, à l’origine du durcissement :
-
γ’ – Ni3(TiAl) – réseau cubique face centrée (figure 8) :
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précipitation dans le domaine de température 600/850 °C pour les plus fins lors du refroidissement après mise en solution, ou lors de maintiens à des températures spécifiques de vieillissement,
-
précipitation dans le domaine de températures 850/1 150 °C pour les plus grosses tailles.
Par son caractère ordonné, le composé γ’ de formulation Ni3(Al, Ti) présente la propriété remarquable d’avoir une résistance mécanique qui augmente avec la température jusqu’à 800 °C environ. La cohérence très forte entre γ et γ’ confère une tenue mécanique à chaud très élevée des superalliages à base nickel, qui dépend elle-même du taux de précipités durcissants. Cela a conduit à des alliages forte résistance jusqu’à 700 °C, mais dont la résistance diminue fortement au-delà de 800 °C, ce qui les rend aptes au forgeage à chaud (au-delà de 1 000 °C).
– γ’’ – Ni3Nb – réseau quadratique : précipitation dans le domaine de températures 550/900 °C.
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Des précipités intermétalliques,...
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Métallurgie des superalliages
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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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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
HAUT DE PAGE2.1 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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