Que sont les superalliages ? Guide complet des propriétés et des utilisations

Qu'il s'agisse de moteurs à réaction, de centrales électriques ou d'environnements difficiles, les superalliages conservent leur solidité là où la plupart des métaux s'effondrent. Ils résistent à la rouille et durent plus longtemps sous contrainte, ce qui explique leur importance cruciale dans des secteurs tels que l'aérospatiale, l'énergie et bien d'autres. Sans eux, de nombreuses machines de grande puissance tomberaient en panne.

Définition des superalliages

Les superalliages sont des métaux hautes performances conçus pour résister à des températures élevées. Ils peuvent supporter des températures inférieures ou égales à 851 TP3T de leur point de fusion.Tₘ). Ces alliages se distinguent par leur excellente résistance mécanique et leur capacité à résister déformation par fluage.

Ils présentent également une excellente stabilité à l'oxydation et à la corrosion sous des températures et des contraintes extrêmes. Les superalliages sont généralement composés de trois métaux de base : le nickel (Ni), le cobalt (Co) et le fer (Fe). 

Histoire des superalliages

L'origine des superalliages remonte au développement de l'acier inoxydable, vers les années 1910. Ces aciers ne rouillent pas facilement, mais résistent mal aux fortes chaleurs. Dans les années 1920 et 1930, les ingénieurs ont commencé à ajouter des éléments comme le chrome et le nickel pour améliorer la résistance des métaux à la chaleur et à la rouille.

Au cours des années 1930, un nouveau superalliage connu sous le nom de Inconel L'Inconel était une marque déposée. Il fonctionnait très bien à la chaleur et ne rouille pas facilement. L'Inconel a ensuite été utilisé dans les premiers réacteurs. Les plus grandes avancées ont eu lieu dans les années 1960 et 1970, avec trois changements majeurs :

• Fusion sous vide – Cela permettait d'obtenir des alliages plus purs. Moins de saleté dans le métal signifiait moins de points faibles.
• solidification directionnelle – Cela a contribué à façonner le flux du grain métallique, le rendant ainsi plus résistant.
• Croissance de monocristal – Cela a éliminé les points faibles où les fissures commencent souvent.

Chimie et mécanismes de renforcement

Conception en alliage

Les superalliages sont renforcés par une solution solide et un renforcement par précipitation.

Renforcement des solutions solides

Il s'agit d'un mélange d'autres éléments au métal de base. Ces éléments perturbent la structure atomique du métal, rendant ainsi le mouvement des atomes difficile. Ainsi, les métaux ne se brisent pas et ne se plient pas sous l'effet de la contrainte.

Renforcement des précipitations

De minuscules particules appelées gamma prime (γ′) et gamma double prime (γ″) sont ajoutées au métal pour maintenir la structure en place dans des conditions de chaleur élevée.

Rôle des éléments :

Les superalliages nécessitent plus qu'un simple métal de base résistant. Des éléments supplémentaires sont ajoutés pour assurer la résistance, la régulation thermique et la résistance à la rouille.

Nickel (Ni), Cobalt (Co) et Fer (Fe)

Ces éléments constituent la matrice de base du superalliage. Le nickel conserve sa résistance à haute température et est principalement utilisé dans les superalliages. Le cobalt a un point de fusion plus élevé que le nickel et convient aux pièces exposées à des températures extrêmement élevées. Le fer est moins cher, mais aussi résistant que le nickel ou le cobalt.

Chrome (Cr) et aluminium (Al)

Le chrome aide à lutter contre la rouille et la corrosion en formant une fine couche d'oxyde qui protège le métal. L'aluminium renforce le métal et contribue également à sa résistance à la rouille.

Titane (Ti) et Niobium (Nb)

Ils contribuent à favoriser la phase de renforcement par précipitation pour empêcher le métal de s'étirer au fil du temps.

Rhénium (Re), tungstène (W), molybdène (Mo) et tantale (Ta)

On les appelle métaux réfractaires. Leur point de fusion est très élevé et renforce l'alliage à chaud. Ils ralentissent également la formation de points faibles à l'intérieur du métal.

Microstructure

La microstructure du superalliage présente généralement les caractéristiques suivantes :

• Microstructure γ/γ′ : Il s'agit d'une structure biphasée composée d'une phase gamma (γ) et d'une phase gamma prime (γ′). Tandis que la première maintient la forme, la seconde assure la résistance du métal à la chaleur.

• Carbures : Ce sont de minuscules morceaux de carbone durs qui se trouvent au bord des grains pour aider à arrêter les fissures et ralentir le fluage.

• Phases TCP (topologiquement compactes) : Ils sont utilisés en petites quantités car de grandes quantités peuvent rendre l'alliage très cassant.

• Alliages monocristallins : Ils éliminent les joints de grains, mais empêchent la formation de fissures et durent plus longtemps sous contrainte.

Familles de superalliages

à base de nickel

Ce sont les superalliages les plus courants. Ils offrent un excellent contrôle γ′ et une excellente résistance au fluage. De ce fait, ils sont très performants à haute température et dans des environnements soumis à des contraintes. Parmi les nuances courantes, on trouve le Waspaloy, l'Inconel 625 et l'Inconel 718.

Co-fondé

Les superalliages à base de cobalt ont des points de fusion plus élevés et supportent mieux la chaleur que ceux à base de nickel. Ils utilisent peu de particules γ′. Ils s'appuient plutôt sur des carbures durs. Ceux-ci stoppent l'usure et la formation de fissures. Les alliages de cobalt sont efficaces dans les pièces soumises au frottement ou à l'usure, comme les soupapes de moteur.

à base de fer

Ces alliages sont à base de fer et sont souvent utilisés lorsque le coût est un facteur déterminant. Ils ne rivalisent pas avec les superalliages de nickel ou de cobalt à très haute température. Cependant, ils restent performants dans les pièces chaudes, sans être soumis à des températures extrêmes.

Certains superalliages à base de fer sont austénitiques. Cela signifie que leur structure cristalline reste stable même à chaud. Ces alliages peuvent également former des précipités γ′, tout comme ceux à base de nickel. Lorsque cela se produit, leur résistance augmente, surtout à température moyenne.

Certaines nuances courantes de superalliages sont :

• Inconel 625 : Il s’agit d’un superalliage à base de nickel qui est très résistant et qui peut très bien supporter la chaleur et la pression.
• Inconel 718: Il contient une quantité importante de niobium et est résistant à des températures moyennes à élevées.
• Waspaloy : Il peut être durci par vieillissement et reste résistant jusqu'à environ 980°C.

Fabrication et transformation

Coulée contre forgeage

Quand cela vient à forgerL'alliage est chauffé puis pressé ou martelé pour lui donner sa forme. La pression compacte les grains, ce qui réduit les défauts internes et rend la pièce plus résistante. Les pièces forgées sont généralement plus résistantes que les pièces moulées. Elles supportent mieux les chocs et les contraintes. Cependant, le forgeage n'est pas idéal pour les formes très complexes.

Le forgeage limite également les types de superalliages utilisables. Certains alliages sont trop durs à forger une fois refroidis. Cette méthode est donc utilisée lorsque la résistance prime sur les détails de forme.

Fonderie La fonderie à cire perdue est l'une des méthodes utilisées pour former des superalliages. Elle est idéale pour les pièces complexes ou creuses difficiles à usiner. Le moulage à cire perdue est l'un des procédés les plus courants pour la mise en forme de composants en superalliages à base de nickel et de cobalt. Ce procédé économique permet d'obtenir des tolérances strictes, des parois minces et des formes complexes.

Solidification directionnelle

Il s'agit d'une méthode de moulage spéciale. Le métal est refroidi lentement dans une seule direction, ce qui force les grains à croître de bas en haut en ligne droite. Les pièces ainsi fabriquées sont plus résistantes dans le sens de la contrainte. Elles supportent mieux la chaleur et la pression que les pièces moulées classiques.

Croissance de monocristal

Il s'agit d'une méthode de moulage complexe. La pièce est conçue pour croître comme un seul cristal, sans aucun joint de grains. Or, les joints de grains sont souvent à l'origine des fissures. Leur suppression confère à la pièce une meilleure résistance au fluage et une durée de vie plus longue à chaud.

Métallurgie des poudres et fabrication additive (impression 3D)

La métallurgie des poudres et impression en 3D utiliser des poudres métalliques fines pour fabriquer des pièces, mais elles sont utilisées de différentes manières.

La métallurgie des poudres consiste à presser la poudre pour lui donner forme, puis à la chauffer jusqu'à ce que les grains fusionnent. Cela permet d'obtenir des pièces robustes, présentant peu de défauts et un bon contrôle du mélange de métaux. C'est un choix judicieux pour les pièces importantes comme les disques de turbine et autres composants soumis à de fortes contraintes.

L'impression 3D fait fondre la poudre couche par couche à l'aide d'un laser. Cette méthode permet de créer des formes complexes et des pièces plus légères. Elle est utile pour les petites séries et les conceptions personnalisées. Ces deux méthodes permettent d'économiser de la matière et de fabriquer des pièces en superalliage solides et précises.

Protection de surface : revêtements

Les pièces en superalliages sont exposées à une chaleur extrême, à la vapeur et aux gaz réactifs. Pour les protéger, des revêtements de surface sont appliqués. Ces revêtements agissent comme une barrière qui ralentit l'oxydation et la corrosion, prolongeant ainsi la durée de vie de la pièce.

La stratégie consiste à former une couche externe stable qui résiste à la dégradation, même à haute température. Les revêtements adhèrent à la surface ou forment leur propre couche protectrice lors de l'utilisation.

• Revêtements par diffusion : Ils ajoutent des éléments comme l'aluminium à la surface. Lorsqu'ils sont chauffés, ils forment une couche d'oxyde stable.
• Revêtements MCrAlY : Il s'agit de couches pulvérisées composées de métaux comme le nickel ou le cobalt, ainsi que de chrome, d'aluminium et d'yttrium. Elles adhèrent bien et protègent de la chaleur et de la rouille.
• Revêtements de barrière thermique (TBC) : Les TBC sont des couches céramiques qui empêchent la chaleur d'atteindre le métal. Elles aident les pièces à rester froides et à durer plus longtemps.

Applications

Aérospatial

Les moteurs à réaction sont composés de superalliages. Les pales, les aubes et les pièces de la chambre de combustion doivent résister à des températures supérieures à 1 100 °C. Ces pièces tournent rapidement et sont soumises à de lourdes charges.

Production d'électricité

Les turbines à gaz et à vapeur utilisent également des superalliages. Ces pièces chauffent et doivent fonctionner sans se déformer. Les superalliages permettent aux centrales de chauffer davantage et de produire plus d'énergie.

Traitement chimique et pétrole et gaz

Les superalliages résistent aux fluides agressifs, à la chaleur et à la pression. Ils sont utilisés dans les échangeurs de chaleur, les pompes et les canalisations. Des alliages comme l'Inconel et l'Hastelloy résistent aux acides et aux gaz salins.

Automobile et au-delà

Certains superalliages sont utilisés dans les moteurs automobiles. Les turbocompresseurs et les systèmes d'échappement doivent supporter la chaleur et les contraintes. Ces alliages durent plus longtemps que l'acier dans les zones chaudes.

Conclusion

Chaque heure qu'une turbine tourne ou qu'un avion reste en vol, les superalliages assurent la continuité. De meilleures pièces signifient moins de pannes, moins de maintenance et une disponibilité accrue. Laissez-nous vous aider Faites le premier pas vers des pièces plus solides aujourd'hui.