Introduction aux superalliages :

Superalliage : c’est un alliage métallique dont les propriétés mécaniques augmentent avec la température (jusqu’à 0,7 à 0,8 fois sa température de fusion).

     La base du superalliage est le métal constituant principal : Ni, Co ou Fe.

    Les superalliages ont une bonne résistance à la fatigue thermique, à la corrosion à chaud, à la pression hydrodynamique et à la torsion.

    On ajoute aussi des additifs au(x) constituant(s) principal(aux) : Cr et/ou Mo et/ou W et/ou Al et/ou Ta et/ou Ti et/ou V.

Structure d’un superalliage  :

    Un superalliage est un solide biphasique :

            - une matrice : système cF désordonné (appellé phase g)
            - des précipités formant un système cF ordonné NiAl3 (phase g)

    Ces deux phases sont mixées sans qu’il y ait rupture de la structure :

 

Importance de la phase g :

    Il existe une grande de comportement entre les phases g et g’ par rapport à la température :

 

    Typiquement, un superalliage comporte 60 % de phase g’.

    Il n’est pas possible d’utiliser g’ pure car elle est très fragile, ce qui rend impossible sa mise en forme. Un superalliage est donc le recherche d’un compromis.

 

Explication du phénomène des superalliages :

     1 ) défaut d’empilement :

     Dans un superalliage, il y a deux types de glissement possible sous l’effet de contraintes :

            - création d’un défaut simple (SSF : simple stating fault) : dans ce cas, la valeur du déplacement est : b = (aÖ6 / 3)

            - création d’un défaut complexe (CSF : complex stating fault) : dans ce cas, la valeur du déplacement est : b = (aÖ6 / 6)

    2 ) défaut d’ordre :

    Ils se produisent dans la phase g’. Celle-ci, dans le cas d’un ordre parfait, est constituée d’une alternance de deux types de rangées :

            - une rangée de type Al - Ni - Al - ...
            - une rangée de type Ni - Ni - Ni - ...

    Mais il peut se former des parois d’antiphase (APB) :

     3 ) superdislocations :

    Dans les superalliages, il peut exister des superdislocations qui se décomposent automatiquement pour diminuer leur énergie :

Superdislocation (SD) -> superpartielle (SP) + défaut d’ordre (APB) + superpartielle (SP).

     Mais les superpartielles peuvent elles aussi se dissocier (mais cette dissociation est réversible) :

 Superpartielle (SP) <--> partielle (P) + défaut (CSF) + partielle (P)

    Donc, pour des raisons de diminution d’énergie, les superdislocations se décomposent comme suit :

 SD --> ( P + CSF + P ) + APB + ( P + CSF + P )

   Cette structure de superdislocation dissociée est très résistante, donc elle devrait dégrader fortement les propriétés mécaniques des superalliages à haute température. Mais il existe des systèmes de blocage :

             - Les dislocation peuvent être bloquées dans la phase g
            - Elles peuvent être bloquées par cisaillement des précipités g
            - Il se produit fréquemment la formation d’un verrou de KEAR et WILSDORF :
                                    - La superdislocation dissociée est glissile dans un plan {111}
                                    - Cette superdislocation dévie dans un plan {100} du fait de la recombinaison de la superpartielle de tête.
                                    - Le blocage est assuré par l’étalement de l’APB dans le plan {100} et par la redissociation de la superpartielle de tête dans un plan {111}. La superdislocation devient alors sessile car son énergie est minimale (en effet, une APB possède une énergie plus faible dans un plan {100} que dans un plan {111}).

   4 ) Formation des monocristaux de superalliage :

   Il est important de former des monocristaux pour augmenter la tenue du superalliage à haute température. On utilise pour cela un procédé dit de BRIDGMAN :

            - Ce système se fait sous vide pour éviter l’oxydation.
            - Le gradient thermique permet la croissance de petits cristaux en colonne.
            - Un seul monocristal peut passer hors du sélecteur pour aller dans le moule.

    Le monocristal ainsi créé dans le moule nécessite ensuite une couche de protection anticorrosion vaporisée à haute température en phase vapeur.

 

Facteurs influençant les propriétés mécaniques :

     1 ) Composition chimique du superalliage :

             - il faut régler finement la composition chimique pour bien obtenir deux phases g et g’. Cela est d’autant plus difficile car le moindre ajout d’additif fait varier le taux des différentes phases.

            - il faut connaître précisément la répartition des additifs entre les deux phases :

Ni3Al (g) ( x-y ) % de Ti dans g
+ x % Ti (substitution) --->
Ni3Al (g’)  y % de Ti dans g

Tableau de répartition :

Elément

Al

Ti

Nb

Ta

V

Co

Cr

Mo

W

Répartition dans les phases
g / g

1 / 0,24 0 / 0,10 1 / <0,05 1 / < 0,05 1 / < 0,05 0,37 / 1 0,14 / 1 0,33 / 1 0,88 / 1

            - De plus, la composition chimique influence grandement la durée de vie en contrainte du superalliage. Celle-ci peut varier de moins de 200 heures à plus de 1000 heures.

    2 ) Accord paramétrique entre g et g :

    Les additifs ayant des rayons atomiques différents de celui de Ni ou de Al, le paramètre de maille va varier lors de l’ajout de ces additifs. Mais comme ils se répartissent dans des proportions différentes entre les deux phases, ces dernières n’ont plus le même paramètre.

    Donc, dans le but de rendre aussi minime que possible le désaccord paramétrique entre g et g’, il faut ajouter d’autres additifs .…., ce qui ne peut que compliquer la tâche !

    Mais cette tâche est néanmoins nécessaire car la durée de vie de l’alliage sera extrêmement influencé par un désaccord paramétrique entre les deux phases.

    Par exemple, pour un alliage Ni-Cr-Al, une différence paramétrique entre g et g’ de 0,008 % fait varier la durée de vie en contrainte de 5000 heures à 100 heures !

    3 ) Dimensions des précipités de g :

    La formation de très petits précipités de g’ (d’environ 64 angströms) dans la phase g fait catastrophiquement baisser les performances à haute température (d’environ 80 %).

    La dimension de ces précipités peut être contrôlée en faisant un recuit du superalliage.