[0001] L'invention concerne un superalliage à base de nickel, adapté à la fabrication par
solidification dirigée d'aubes monocristallines fixes et mobiles de turbines à gaz
industrielles.
[0002] Les superalliages à base de nickel sont les matériaux les plus performants utilisés
aujourd'hui pour la fabrication des aubes fixes et mobiles des turbines à gaz industrielles.
Les deux principales caractéristiques demandées jusqu'à maintenant à ces alliages
pour ces applications spécifiques sont une bonne résistance au fluage à des températures
pouvant aller jusqu'à 850 °C et une très bonne tenue à la corrosion à chaud. Des alliages
de référence couramment utilisés dans ce domaine sont ceux connus sous les désignations
IN738, IN939 et IN792.
[0003] Les aubes fabriquées avec ces alliages de référence sont élaborées par fonderie conventionnelle
à la cire perdue et ont une structure polycristalline, c'est-à-dire qu'elles sont
constituées de la juxtaposition de cristaux orientés de manière aléatoire les uns
par rapport aux autres et appelés grains. Ces grains sont eux-mêmes constitués d'une
matrice gamma (γ) austénitique à base de nickel dans laquelle sont dispersées des
particules durcissantes de phase gamma prime (γ') dont la base est le composé intermétallique
Ni
3Al. Cette structure particulière des grains confère à ces alliages une résistance
élevée en fluage jusqu'à des températures voisines de 850 °C, ce qui garantit la longévité
des aubes pour lesquelles on recherche généralement des durées de vie comprises entre
50 000 et 100 000 heures. La composition chimique des alliages IN939, IN738 et IN792
a par ailleurs été définie de manière à leur conférer une excellente résistance à
l'environnement des gaz de combustion, en particulier vis-à-vis de la corrosion à
chaud, phénomène particulièrement agressif dans le cas des turbines à gaz industrielles.
Des ajouts importants de chrome, typiquement entre 12 et 22 % en poids, sont ainsi
nécessaires pour conférer à ces alliages la tenue à la corrosion à chaud requise pour
les applications concernées. Du point de vue de la résistance au fluage le classement
de ces alliages est: IN939 < IN738 < IN792. Du point de vue de la résistance à la
corrosion à chaud, le classement est inversé, soit: IN792 < IN738 < IN939.
[0004] Pour améliorer les performances des turbines à gaz industrielles, en termes de rendement
et de consommation, une voie consiste à augmenter la température des gaz à l'entrée
de la turbine. Ceci nécessite par conséquent de pouvoir disposer d'alliages pour aubes
de turbines pouvant supporter des températures de fonctionnement de plus en plus élevées,
tout en conservant les mêmes caractéristiques mécaniques, en particulier en fluage,
afin de pouvoir atteindre les mêmes durées de vie.
[0005] Le même type de problème s'est posé par le passé dans le cas des turbines à gaz de
turboréacteurs et de turbomachines pour applications aéronautiques. Dans ce cas la
solution retenue a consisté à passer des aubes dites polycristallines élaborées par
fonderie conventionnelle aux aubes dites monocristallines, c'est-à-dire constituées
d'un seul grain métallurgique.
[0006] Ces aubes monocristallines sont fabriquées par solidification dirigée en fonderie
à la cire perdue. L'élimination des joints de grains, qui sont des lieux préférentiels
de déformation en fluage à haute température, a permis d'augmenter de manière spectaculaire
les performances des superalliages à base de nickel. De plus le procédé de solidification
monocristalline permet de sélectionner l'orientation préférentielle de croissance
de la pièce monocristalline et de choisir ainsi l'orientation <001> qui est optimale
du point de vue de la résistance au fluage et à la fatigue thermique, ces deux modes
de sollicitation mécanique étant les plus nocifs pour les aubes de turbines.
[0007] Cependant les compositions chimiques de superalliages développées pour les aubes
monocristallines de turbines pour applications aéronautiques ne conviennent pas pour
les aubes pour applications terrestres ou marines, dites industrielles. Ces alliages
sont en effet définis de manière à privilégier leur résistance mécanique jusqu'à des
températures supérieures à 1100 °C, et ce au détriment de leur résistance à la corrosion
à chaud. Ainsi la concentration en chrome des superalliages pour aubes monocristallines
de turbines aéronautiques est généralement inférieure à 8 % en poids ce qui permet
d'atteindre des fractions volumiques de phase γ' de l'ordre de 70 %, favorables à
la résistance au fluage à haute température.
[0008] Un superalliage à base de nickel riche en chrome et apte à la solidification monocristalline
de pièces de turbines à gaz industrielles est connu sous la dénomination SC16 et décrit
dans FR 2 643 085 A. Sa concentration en chrome est égale à 16 % en poids. Les caractéristiques
de résistance au fluage de l'alliage SC16 sont telles que cet alliage apporte par
rapport à l'alliage polycristallin de référence IN738 un gain en température de fonctionnement
allant de 30 °C environ (830 °C au lieu de 800 °C) à 50 °C environ (950 °C au lieu
de 900 °C). Des essais comparatifs de corrosion cyclique à 850 °C dans l'air à la
pression atmosphérique avec contamination par Na
2SO
4 ont montré que la résistance à la corrosion à chaud de l'alliage SC16 était au moins
équivalente à celle de l'alliage polycristallin de référence IN738.
[0009] Des essais de corrosion à chaud ont été réalisés sur l'alliage SC16 par les fabricants
de turbines industrielles dans leurs propres bancs d'essai. Dans des environnements
très sévères, représentatifs de conditions extrêmes de fonctionnement, il a été montré
que la résistance à la corrosion à chaud de cet alliage restait inférieure à celle
de l'alliage IN738.
[0010] Par ailleurs, la demande croissante de ces fabricants pour une augmentation de la
température de fonctionnement des turbines à gaz nécessite une résistance au fluage
encore améliorée des superalliages pour aubes.
[0011] Le but de l'invention est de proposer un superalliage à base de nickel présentant
une résistance à la corrosion à chaud, dans l'environnement agressif des gaz de combustion
des turbines à gaz industrielles, au moins équivalente à celle du superalliage polycristallin
de référence IN792, avec une résistance au fluage supérieure ou égale à celle de l'alliage
de référence IN792 dans une gamme de températures allant jusqu'à 1000 °C.
[0012] Ce superalliage doit en particulier convenir à la fabrication par solidification
dirigée d'aubes monocristallines fixes et mobiles de grandes dimensions (jusqu'à plusieurs
dizaines de centimètres de hauteur) de turbines à gaz industrielles.
[0013] Ce superalliage doit de plus montrer une bonne stabilité microstructurale vis-à-vis
de la précipitation de phases intermétalliques fragiles riches en chrome au cours
de maintiens de longue durée à haute température.
[0014] Plus spécifiquement, on a recherché une composition d'alliage assurant:
- Une résistance à la corrosion à chaud optimisée, dans tous les cas au moins égale
à celle du superalliage polycristallin de référence IN792, et ce dans divers environnements
représentatifs de celui des gaz de combustion des turbines industrielles;
- Une fraction volumique maximale de précipités durcissants de phase γ' afin de favoriser
la résistance au fluage à haute température;
- Une résistance au fluage jusqu'à 1000 °C supérieure à celle de l'alliage polycristallin
de référence IN792;
- Une aptitude à l'homogénéisation par remise en solution totale des particules de phase
γ', y compris les phases eutectiques γ/γ';
- L'absence de précipitation de phases intermétalliques fragiles riches en chrome, à
partir de la matrice γ, au cours de maintiens de longue durée à haute température;
- Une masse volumique inférieure à 8,4 g.cm-3 afin de minimiser la masse des aubes monocristallines et par conséquent de limiter
la contrainte centrifuge agissant sur ces aubes et sur le disque de turbine sur lequel
elles sont fixées;
- Une bonne aptitude à la solidification monocristalline d'aubes de turbines dont la
hauteur peut atteindre plusieurs dizaines de centimètres et la masse plusieurs kilogrammes.
[0015] Le superalliage selon l'invention, apte à la solidification monocristalline, possède
la composition pondérale suivante:
Co: |
4,75 |
à |
5,25 % |
Cr: |
11,5 |
à |
12,5 % |
Mo: |
0,8 |
à |
1,2 % |
W: |
3,75 |
à |
4,25 % |
Al: |
3,75 |
à |
4,25 % |
Ti: |
4 |
à |
4,8 % |
Ta: |
1,75 |
à |
2,25 % |
C: |
0,006 |
à |
0,04 % |
B: |
|
≤ |
0,01 % |
Zr: |
|
≤ |
0,01 % |
Hf: |
|
≤ |
1 % |
Nb: |
|
≤ |
1 % |
Ni et impuretés éventuelles: complément à 100 %. |
[0016] L'alliage selon l'invention présente un excellent compromis entre la résistance au
fluage et la résistance à la corrosion à chaud. Il convient à la fabrication de pièces
monocristallines, c'est-à-dire constituées d'un seul grain métallurgique. Cette structure
particulière est obtenue par exemple à l'aide d'un procédé classique de solidification
dirigée dans un gradient thermique, en utilisant un dispositif de sélection de grain
à hélice ou à chicanes ou un germe monocristallin.
[0017] L'invention a également pour objet une aube de turbine industrielle réalisée par
solidification monocristalline du superalliage ci-dessus.
[0018] Les caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans
la description ci-après, en se référant aux dessins annexés.
[0019] Les figures 1 et 2 sont des graphiques illustrant les propriétés de différents superalliages.
[0020] Un alliage selon l'invention dénommé SCB444 a été élaboré en visant la composition
nominale présentée dans le tableau I. Dans ce tableau sont également reportées les
concentrations nominales en éléments majeurs des alliages de référence IN939, IN738,
IN792 et SC16.
Tableau I: Concentrations pondérales en éléments majeurs (%)
Alliage |
Ni |
Co |
Cr |
Mo |
W |
A1 |
Ti |
Ta |
Nb |
IN939 |
Base |
19 |
22,5 |
- |
2 |
1,9 |
3,7 |
1,4 |
1 |
IN738 |
Base |
8,5 |
16 |
1,7 |
2,6 |
3,4 |
3,4 |
1,7 |
0,9 |
IN792 |
Base |
9 |
12,4 |
1,9 |
3,8 |
3,1 |
4,5 |
3,9 |
- |
SC16 |
Base |
- |
16 |
3 |
- |
3,5 |
3,5 |
3,5 |
- |
SCB444 |
Base |
5 |
12 |
1 |
4 |
4 |
4,4 |
2 |
- |
[0021] Le chrome a un effet bénéfique et prépondérant sur la tenue à la corrosion à chaud
des superalliages à base de nickel. L'expérience a ainsi montré qu'une concentration
voisine de 12 % en poids était nécessaire et suffisante dans l'alliage de l'invention
pour obtenir une résistance à la corrosion à chaud équivalente à celle de l'alliage
de référence IN792 dans les conditions des essais de corrosion à chaud décrits plus
loin, qui sont représentatives de l'environnement créé par les gaz de combustion de
certaines turbines industrielles. Une teneur plus élevée en chrome ne permettrait
pas d'atteindre la fraction volumique de phase γ' nécessaire à la bonne tenue en fluage
de l'alliage jusqu'à 1000 °C, sans que l'alliage devienne instable vis-à-vis de la
précipitation de phases intermétallique fragiles riches en chrome dans la matrice
γ. Par ailleurs, une concentration plus faible en chrome ne permettrait pas d'égaler
la résistance à la corrosion à chaud de l'alliage de référence IN792. Le chrome participe
également au durcissement de la matrice γ dans laquelle cet élément se répartit préférentiellement.
[0022] Le molybdène durcit fortement la matrice γ dans laquelle cet élément se répartit
préférentiellement. La quantité de molybdène pouvant être introduite dans l'alliage
est cependant limitée car cet élément a un effet néfaste sur la résistance à la corrosion
à chaud des superalliages à base de nickel. Une concentration voisine de 1 % en poids
dans l'alliage de l'invention n'est pas pénalisante pour sa résistance à la corrosion
et participe de manière significative à son durcissement.
[0023] Le cobalt participe également au durcissement en solution solide de la matrice γ.
La concentration en cobalt a une influence sur la température de mise en solution
de la phase durcissante γ' (température de solvus γ'). Il est ainsi avantageux d'augmenter
la concentration en cobalt pour abaisser la température de solvus de la phase γ' et
faciliter l'homogénéisation de l'alliage par traitement thermique sans risque de provoquer
un début de fusion. Par ailleurs il peut être également avantageux de réduire la concentration
en cobalt afin d'augmenter la température de solvus de la phase γ' et de bénéficier
ainsi d'une plus grande stabilité de la phase γ' à haute température ce qui est favorable
à la résistance au fluage. La concentration voisine de 5 % en poids de cobalt dans
l'alliage de l'invention conduit à un compromis optimal entre une bonne aptitude à
l'homogénéisation et une bonne tenue au fluage.
[0024] Le tungstène dont la concentration est voisine de 4 % en poids dans l'alliage de
l'invention se répartit de manière sensiblement égale entre les phases γ et γ' et
contribue ainsi à leurs durcissements respectifs. Sa concentration dans l'alliage
est cependant limitée car cet élément est lourd, et a un effet négatif sur la résistance
à la corrosion à chaud.
[0025] La concentration en aluminium est voisine de 4 % en poids dans l'alliage de l'invention.
La présence de cet élément provoque la précipitation de la phase durcissante γ'. L'aluminium
favorise également la résistance à l'oxydation. Les éléments titane et tantale sont
ajoutés à l'alliage de l'invention afin de renforcer la phase γ' dans laquelle ils
se substituent à l'élément aluminium. Les concentrations respectives de ces deux éléments
dans l'alliage de l'invention sont voisines de 4,4 % en poids pour le titane et de
2 % en poids pour le tantale. Dans les conditions décrites plus loin d'essais de corrosion
à chaud, correspondant à l'application visée, l'expérience a montré que la présence
de titane était plus favorable à la résistance à la corrosion à chaud que ne l'est
celle du tantale. La concentration en titane a cependant été limitée d'une part par
le fait que cet élément peut avoir un effet négatif sur la tenue à l'oxydation, et
d'autre part parce qu'une concentration trop élevée en titane peut entraîner une déstabilisation
de la phase γ'. La somme des concentrations en tantale, titane et aluminium définit
grossièrement la fraction volumique de phase durcissante γ'. Les concentrations de
ces trois éléments ont été réglées de manière à optimiser la fraction volumique de
phase γ', tout en conservant les phases γ et γ' stables au cours des maintiens de
longue durée à haute température, et en tenant compte du fait que la concentration
en chrome a été fixée à environ 12 % en poids de façon à atteindre la résistance à
la corrosion désirée.
[0026] L'alliage SCB444 a été élaboré sous la forme de monocristaux d'orientation <001>.
La masse volumique de cet alliage a été mesurée et trouvée égale à 8,22 g.cm
-3.
[0027] Après solidification dirigée, l'alliage est essentiellement constitué de deux phases:
la matrice austénitique γ, solution solide à base de nickel, et la phase γ', composé
intermétallique dont la formule de base est Ni
3Al, qui précipite en majeure partie au sein de la matrice γ sous la forme de fines
particules de taille inférieure à un micromètre au cours du refroidissement à l'état
solide. Une faible fraction de phase γ' se retrouve également dans des particules
massives résultant d'une transformation eutectique liquide -> γ + γ' en fin de solidification.
La fraction volumique de phase eutectique γ/γ' est voisine de 1,4 %.
[0028] L'alliage SCB444 a subi un traitement thermique d'homogénéisation à la température
de 1270 °C pendant 3 heures avec refroidissement à l'air. Cette température est supérieure
à la température de solvus de la phase γ' (température de mise en solution des précipités
de phase γ'), qui est égale à 1253 °C, et inférieure à la température de début de
fusion, égale à 1285 °C. Ce traitement a pour objectif de dissoudre la totalité des
précipités de phase γ' dont la distribution de tailles est très étendue dans l'état
brut de solidification dirigée, d'éliminer les particules massives d'eutectique γ/γ'
et de réduire les hétérogénéités chimiques liées à la structure dendritique de solidification.
[0029] L'écart entre la température de solvus γ' de l'alliage SCB444 et sa température de
début de fusion est très grand, ce qui autorise l'application aisée du traitement
d'homogénéisation sans risque de fusion et avec la certitude d'obtenir une microstructure
homogène autorisant une résistance au fluage optimisée.
[0030] Le refroidissement succédant au traitement d'homogénéisation décrit ci-dessus a été
réalisé par trempe à l'air. En pratique, la vitesse de ce refroidissement doit être
suffisamment élevée pour que la taille des particules ayant précipité au cours de
ce refroidissement soit inférieure à 500 nm.
[0031] La procédure de traitement thermique d'homogénéisation qui vient d'être décrite est
un exemple permettant d'obtenir le résultat escompté, soit une distribution homogène
de fines particules de phase γ' dont la taille n'excède pas 500 nm.
[0032] Ceci n'exclut pas la possibilité d'obtenir un résultat semblable en utilisant une
autre température de traitement pourvu qu'elle soit comprise dans l'intervalle séparant
la température de solvus γ' et la température de début de fusion.
[0033] L'alliage SCB444 a été testé après avoir été soumis à un traitement d'homogénéisation
tel que décrit plus haut, puis à deux traitements de revenu permettant de stabiliser
la taille et la fraction volumique des précipités de phase γ'. Un premier traitement
de revenu a consisté à chauffer l'alliage à 1100 °C pendant 4 heures avec refroidissement
à l'air ce qui a pour effet de stabiliser la taille des précipités de phase γ'. Un
deuxième traitement de revenu à 850 °C pendant 24 heures, suivi d'un refroidissement
à l'air, permet d'optimiser la fraction volumique de phase γ'. Cette fraction volumique
de phase γ' est estimée à 57 % dans l'alliage SCB444. À l'issue de l'ensemble des
traitements thermiques, la phase γ' a précipité sous la forme de particules cuboïdales
dont la taille est comprise entre 200 et 500 nm.
[0034] Des essais de corrosion cyclique à chaud ont été réalisés à 900 °C sur l'alliage
SCB444 dans un banc de corrosion industriel avec brûleur. Le cycle était le suivant:
1 heure à 900 °C dans l'atmosphère corrosive produite par le brûleur, puis 15 minutes
hors du four à la température ambiante. Le brûleur fonctionnait avec du fuel chargé
de 0,20 % de soufre. Une solution d'eau salée à 0,5 g.l
-1 de NaCl était vaporisée sur l'échantillon à un débit de 2,2 m
3.h
-1. L'échantillon était recouvert toutes les 100 heures d'un dépôt de 0,5 mg.cm
-2 de Na
2SO
4. Pour comparaison, les alliages IN738 et IN792 ont été testés simultanément. Le critère
de résistance à la corrosion est le nombre de cycles pour lequel les premières piqûres
de corrosion apparaissent à la surface de l'échantillon.
[0035] Les résultats des essais de corrosion sont illustrés par le graphique de la figure
1. L'amorçage de la corrosion à 900 °C intervient pour des nombres de cycles comparables
pour les alliages SCB444 et IN792 ce qui satisfait à l'objectif fixé.
[0036] Des essais de fluage en traction ont été réalisés sur des éprouvettes usinées dans
des barreaux monocristallins d'orientation <001>. Les barreaux ont été préalablement
homogénéisés puis revenus selon les procédures décrites auparavant. Des valeurs de
temps à rupture obtenues à 750, 850 et 950 °C pour différents niveaux de contrainte
appliquée sont reportées dans le tableau II.
Tableau II: Durées de vie en fluage de l'alliage SCB444
Température (°C) |
Contrainte (MPa) |
Temps à rupture (h) |
750 |
725 |
134 |
750 |
650 |
612 |
750 |
600 |
1152 |
850 |
500 |
43,1 |
850 |
425 |
168,5 |
850 |
300 |
3545/>3456 |
950 |
250 |
115/135 |
950 |
200 |
551/544 |
950 |
180 |
578 |
950 |
140 |
2109 |
950 |
120 |
3872 |
[0037] Le graphique de la figure 2 permet de comparer les temps à rupture en fluage obtenus
pour les alliages SCB444, IN738, IN792 et SC16. En abscisse est portée la contrainte
appliquée. En ordonnée est portée la valeur du paramètre de Larson-Miller. Ce paramètre
est donné par la formule P = T(20 + log t) × 10
-3 où T est la température de fluage en Kelvin et t le temps à rupture en heures. Ce
graphique fait apparaître que la résistance au fluage de l'alliage SCB444 est nettement
supérieure à celle de l'alliage IN792.
[0038] Le contrôle de la microstructure des éprouvettes d'alliage SCB444 à l'issue des essais
de fluage a démontré l'absence de précipitation de particules intermétalliques fragiles
riches en chrome susceptibles d'apparaître au cours de maintiens de longue durée à
haute température dans les superalliages à base de nickel où la matrice γ est sursaturée
en éléments d'addition.
[0039] Des essais de fabrication de pièces monocristallines en superalliage SCB444 ont montré
qu'il était possible de couler un large éventail de composants dont la masse peut
aller de quelques grammes à plus de 10 kg, avec divers degrés de complexité. La croissance
des pièces selon l'orientation cristallographique <001> est favorisée et dominante
et la présence de grains orientés de manière aléatoire est minimisée. Le métal liquide
est stable en ce sens qu'il ne réagit pas avec les matériaux utilisés communément
pour la fabrication des moules. Le phénomène de recristallisation pouvant se produire
durant le traitement d'homogénéisation à haute température est absent dans le cas
de l'alliage SCB444.