Types de superalliages – Définition

Les superalliages, ou alliages hautes performances, sont des alliages non ferreux qui présentent une résistance et une stabilité de surface exceptionnelles à haute température. Leur capacité à fonctionner en toute sécurité à une fraction élevée de leur point de fusion (jusqu’à 85 % de leurs points de fusion (T_m) exprimés en degrés Kelvin, 0,85) est leur principale caractéristique. Les superalliages sont généralement utilisés à des températures supérieures à 540 °C (1000 °F), car à ces températures, les alliages d’acier et de titane ordinaires perdent leurs forces, la corrosion est également courante dans les aciers à cette température. A haute température, les superalliages conservent leur résistance mécanique, leur résistance au fluage thermique déformation, stabilité de surface et résistance à la corrosion ou à l’oxydation. Certains superalliages à base de nickel peuvent résister à des températures supérieures à 1200 °C, selon la composition de l’alliage. Les superalliages sont souvent coulés sous forme de monocristal, tandis que les joints de grains peuvent fournir de la résistance, ils diminuent la résistance au fluage.

Ils ont été initialement développés pour être utilisés dans les turbocompresseurs de moteurs à pistons d’avions. Aujourd’hui, l’application la plus courante concerne les composants de turbines d’avions, qui doivent résister à une exposition à des environnements fortement oxydants et à des températures élevées pendant des périodes de temps raisonnables. Les applications actuelles incluent:

• Turbines à gaz pour avions
• Centrales électriques à turbine à vapeur
• Applications médicales
• Véhicules spatiaux et moteurs de fusée
• Équipement de traitement thermique
• Centrales nucléaires

Le nickel est l’élément de base des superalliages, qui sont un groupe d’alliages de nickel, de fer-nickel et de cobalt utilisés dans les moteurs à réaction. Ces métaux ont une excellente résistance à la déformation par fluage thermique et conservent leur rigidité, leur résistance, leur ténacité et leur stabilité dimensionnelle à des températures beaucoup plus élevées que les autres matériaux de structure aérospatiaux.

Types de superalliages

Il existe trois catégories principales qui sont conjointement appelées superalliages, comme mentionné ci-dessous. Ils possèdent un niveau élevé d’insensibilité ou de stabilité à la température et sont largement utilisés comme matériaux de base pour les applications à haute température.

• Superalliages à base de nickel. Les superalliages à base de nickel constituent actuellement plus de 50 % du poids des moteurs d’avions avancés. Les superalliages à base de nickel comprennent les alliages renforcés en solution solide et les alliages durcissables par vieillissement. Les alliages durcissables par vieillissement consistent en une matrice austénitique (fcc) dispersée avec précipitation cohérente d’un Ni₃ (Al,Ti) intermétallique de structure fcc. Les superalliages à base de Ni sont des alliages avec du nickel en tant qu’élément d’alliage principal qui sont préférés comme matériau de lame dans les applications décrites précédemment, plutôt que des superalliages à base de Co ou de Fe. Ce qui est important pour les superalliages à base de Ni, c’est leur résistance élevée, leur résistance au fluage et à la corrosion à haute température. Il est courant de couler des aubes de turbine sous forme solidifiée directionnellement ou sous forme monocristalline. Les aubes monocristallines sont principalement utilisées dans la première rangée de l’étage de turbine.
• Fer – Superalliages à base de nickel. Les superalliages à base de Fe ont montré une résistance au fluage et à l’oxydation similaire à celle des superalliages à base de Ni, tout en étant beaucoup moins coûteux à produire. La classe la plus importante de ce groupe sont les alliages qui sont renforcés par une précipitation de composé intermétallique dans une matrice FCC.
• Superalliages à base de cobalt. Cette classe d’alliages est relativement nouvelle. En 2006, Sato et al. découvert une nouvelle phase dans le système Co–Al–W. Contrairement aux autres superalliages, les alliages à base de cobalt se caractérisent par une matrice austénitique renforcée en solution solide (fcc) dans laquelle une faible quantité de carbure est distribuée. Bien qu’ils ne soient pas utilisés commercialement dans la mesure des superalliages à base de Ni, les éléments d’alliage trouvés dans les alliages à base de Co de recherche sont C, Cr, W, Ni, Ti, Al, Ir et Ta. Ils possèdent une meilleure soudabilité et une meilleure résistance à la fatigue thermique par rapport à l’alliage à base de nickel. De plus, ils ont une excellente résistance à la corrosion à haute température (980-1100 °C) en raison de leur teneur en chrome plus élevée.

Ces alliages sont généralement utilisés à des températures supérieures à 450 °C, car à ces températures, les aciers ordinaires et les alliages de titane perdent leurs résistances, la corrosion est également courante dans les aciers à cette température.

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Voir ci-dessus:
Superalliages