Transformation
Superalliages

1 - Historique

2 - Sélection des superalliages

• 2.1 - Application turboréacteur
  Figure 2 - Vue d’ensemble d’un réacteur [5] Figure 3 - Matériaux utilisés dans un réacteur (vue en coupe) (Rolls-Royce 2010) Figure 4 - Temps à rupture de plusieurs superalliages forgés pour un fluage à 730 °C sous 530 MPa Tableau 1
• 2.2 - Application turbines terrestres
  Figure 5 - Une turbine General Electric de 250 à 400 MW contient des disques et des aubes en superalliages dans sa partie turbine Figure 6 - Disques de turbines à gaz terrestre de 10 à 15 t en IN718 ou en IN706 obtenus à partir de lingots triple fusion VIM/ESR/VAR
• 2.3 - Autres applications

3 - Métallurgie des superalliages

• 3.1 - Microstructure et phases (bases Ni et Fe-Ni)
  Figure 7 - Matrice γ cubique à faces centrées Figure 8 - Matrice γ /γ ’ cubique à faces centrées
• 3.2 - Influence des éléments d’alliages (bases Ni et Fe-Ni)
  Figure 9 - Éléments d’alliage dans les superalliages avec leur influence [13] [14]
• 3.3 - Microstructure et phases (bases cobalt)

4 - Élaboration

• 4.1 - Four à induction sous vide – FIV (Vacuum Induction Melting – VIM)
  Figure 10 - Four à induction sous vide FIV ou VIM (schéma ALD) Figure 11 - Creuset à l’intérieur du four à induction sous vide
• 4.2 - Refusion au four à arc sous vide – RAV (Vacuum Arc Remelting – VAR)
  Figure 12 - Four de refusion à arc sous vide RAV ou VAR Figure 13 - Lingot obtenu par RAV ou VAR
• 4.3 - Refusion sous laitier – RSL (Electro Slag Remelting – ESR)
  Figure 14 - Four de refusion sous laitier – RSL (ESR) Figure 15 - Lingot obtenu par RSL (ESR)

5 - Transformation

• 5.1 - Homogénéisation
  Figure 16 - Effets de l’homogénéisation d’un lingot d’IN718
• 5.2 - Objectif de la transformation
  Figure 17 - Structure de solidification d’un lingot d’IN718 (attaque par un mélange de chlorure ferrique et d’acide chlorhydrique à 50 °C)
• 5.3 - Intervalle de forgeabilité
  Figure 18 - Domaines de forgeabilité comparés par traction à chaud
• 5.4 - Chauffage
• 5.5 - Transformation des lingots en billettes ou barres par forgeage ou laminage
  Figure 19 - Presse à forger avec double manipulateur (avec l’autorisation de SMS Group) Figure 20 - Machine à forger à quatre marteaux (avec l’autorisation de GFM Group)
• 5.6 - Matriçage
  Figure 21 - Presse à matricer 65 000 t d’Interforge à Issoire (photo delcampe.net) Figure 22 - Séquence de fabrication d’un disque de turbine : aplatissement presse ; perçage ; laminage circulaire ; matriçage d’après [5])

6 - Superalliages obtenus par fonderie

• 6.1 - Fonderie à la cire perdue
  Figure 23 - Synoptique du procédé à la cire perdue
• 6.2 - Évolution du procédé
• 6.3 - Un procédé de fonderie à haute valeur ajoutée
  Figure 24 - Évolution de la microstructure des aubes moulées [18] Figure 25 - Comparaison des courbes de fluages (à 982 °C sous 207 MPa) pour différentes formes cristallines de l’alliage MAR-M200 [19]
• 6.4 - Compositions chimiques
  Figure 26 - Gain en température d’utilisation (d’après Cannon-Muskegon) Tableau 2
• 6.5 - Description du procédé
  Figure 27 - Principe de la solidification dirigée Figure 28 - Solidification dirigée avec sélection du grain de croissance monogranulaire (« monocristal »)
• 6.6 - Microstructure
  Figure 29 - Macrostructure de solidification d’un monocristal [18] Figure 30 - Microstructure de solidification [18]
• 6.7 - Commentaires
  Figure 31 - Ajout de revêtement sur les aubes

7 - Superalliages obtenus par métallurgie des poudres

• 7.1 - 1960-1980
  Figure 32 - Atomisation par gaz inerte (argon) après fusion au four à induction sous vide (d’après ALD) Figure 33 - Potentiel de réduction de mise en œuvre matière par les différentes voies de métallurgie des poudres
• 7.2 - Évolution
  Figure 34 - Extrusion : presse et synoptique du procédé Figure 35 - Forgeage isotherme : pièce matricée avec des outillages à la même température que la pièce elle-même (environ 1 100 °C)
• 7.3 - Enjeux
  Figure 36 - Lien entre la propreté et les propriétés de fatigue [20]
• 7.4 - Europe et Asie
  Figure 37 - Filière en métallurgie des poudres pour l’avion Rafale équipé de deux moteurs M88
• 7.5 - Alliages
  Tableau 3 Tableau 4

8 - Traitement thermique

• 8.1 - Mise en solution
• 8.2 - Refroidissement après mise en solution
  Figure 38 - Influence de la température de mise en solution et de la vitesse de refroidissement sur la taille de la phase γ ’ Figure 39 - Évolution des contraintes résiduelles pendant la durée d’une trempe : disque en superalliage après mise en solution [5]
• 8.3 - Traitement de précipitation (vieillissement)
• 8.4 - Procédé de traitement thermique

9 - Parachèvement : contrôles non destructifs, usinage, soudage

• 9.1 - Contrôles non destructifs
  Figure 40 - Contrôle par ultrasons sur barre en superalliage

10 - Relations entre structures et propriétés

11 - Conclusion et perspectives

12 - Glossaire