EP3911773A1 - Superalliage a base de nickel a faible densite et avec une tenue mecanique et environnementale elevee a haute temperature - Google Patents

Superalliage a base de nickel a faible densite et avec une tenue mecanique et environnementale elevee a haute temperature

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EP3911773A1
EP3911773A1 EP20706568.1A EP20706568A EP3911773A1 EP 3911773 A1 EP3911773 A1 EP 3911773A1 EP 20706568 A EP20706568 A EP 20706568A EP 3911773 A1 EP3911773 A1 EP 3911773A1
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EP
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superalloy
nickel
chromium
rhenium
aluminum
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EP20706568.1A
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EP3911773B1 (fr
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Jérémy RAME
Edern MENOU
Clara DESGRANGES
Franck TANCRET
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Safran SA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Safran SA
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/057—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being less 10%
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17—Alloys
    • F05D2300/175—Superalloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/607—Monocrystallinity

Definitions

  • the present invention relates to the general field of nickel-based superalloys for turbomachines, in particular for fixed blades, also called distributors or rectifiers, or mobile blades, or even ring segments.
  • Nickel-based superalloys are generally used for the hot parts of turbomachines, that is, the parts of turbomachines located downstream of the combustion chamber.
  • nickel-based superalloys combine high creep resistance at temperatures between 650 ° C and 1200 ° C, as well as resistance to oxidation and corrosion.
  • the resistance to high temperatures is mainly due to the microstructure of these materials, which is composed of a g-Ni matrix of face-centered cubic crystalline structure (CFC) and ordered hardening precipitates y'-Ni 3 Al of structure L1 2 .
  • CFC face-centered cubic crystalline structure
  • Certain grades of nickel-based superalloys are used in the manufacture of monocrystalline parts.
  • the object of the present invention is to provide compositions of superalloys based on nickel which make it possible to improve the mechanical strength, and in particular the resistance to creep.
  • Another aim of the present invention is to provide superalloy compositions which make it possible to improve resistance to the environment, and in particular resistance to corrosion and resistance to oxidation.
  • Another object of the present invention is to provide superalloy compositions which have a reduced density.
  • the invention provides a nickel-based superalloy comprising, in percentages by weight, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.2% of hafnium, 0.5 to 4% molybdenum, 3.5 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder consisting of nickel and the inevitable impurities.
  • a nickel-based alloy is defined as an alloy in which the percentage by mass of nickel is predominant.
  • Unavoidable impurities are defined as those elements which are not intentionally added to the composition and which are supplied with other elements.
  • inevitable impurities mention may in particular be made of carbon (C) or sulfur (S).
  • the nickel-based superalloy according to the invention has good microstructural stability at temperature, thus making it possible to obtain high mechanical characteristics at temperature.
  • the nickel-based superalloy according to the invention has corrosion resistance and improved oxidation resistance.
  • the nickel-based superalloy according to the invention reduces the susceptibility to the formation of foundry defects.
  • the nickel-based superalloy according to the invention makes it possible to have a density of less than 8.4 g. cm 3 .
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0.5 to 4 % molybdenum, 3.5 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.05% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by weight, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.15% hafnium, 0.5 to 4% of molybdenum, 3.5 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and impurities inevitable.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0.5 to 3.5% molybdenum, 3.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0 to 1 , 5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.2 % hafnium, 1.5-2.5% molybdenum, 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, 0, 5 to 1, 5% of tungsten, the remainder being made up of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.15% hafnium, 1.5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0.5 1.5% tungsten, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.1% hafnium, 1.5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0.5 1.5% tungsten, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 1, 5 to 2, 5% molybdenum, 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, 0.5-1.5% tungsten, 0 at 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.1% hafnium, 1.5-2.5% molybdenum, 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium , 0.5 to 1.5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may further comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0.5 to 1.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 14% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 1.5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being consisting of nickel and unavoidable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 0 to 0.2 % hafnium, 1.5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium,
  • tantalum 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass: 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 14% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.2 % hafnium, 0.5 to 1.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium,
  • tantalum 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages: 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.2 % hafnium, 1.5 to 2.5% molybdenum, 3.5 to 4.5% rhenium,
  • tantalum 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass: 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 2.5 to 3.5% molybdenum, 3.5 to 4.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being consisting of nickel and unavoidable impurities.
  • the invention provides a turbomachine part made of a nickel-based superalloy according to any one of the preceding characteristics.
  • the part may be an element of an aircraft turbomachine turbine, for example a high-pressure turbine or a low-pressure turbine, or else a compressor element, and in particular a high-pressure compressor.
  • the turbine or compressor part may be a blade, said blade possibly being a moving blade or a fixed blade, or else a ring sector.
  • the turbomachine part is monocrystalline, preferably with a crystalline structure oriented in a crystallographic direction ⁇ 001>.
  • the invention provides a method of manufacturing a nickel-based superalloy turbomachine part according to any one of the preceding characteristics by foundry.
  • the method comprises a directed solidification step to form a monocrystalline part.
  • the superalloy according to the invention comprises a nickel base with which major addition elements are associated.
  • Major addition elements include: cobalt Co, chromium Cr, molybdenum Mo, tungsten W, aluminum Al, tantalum Ta, titanium Ti, and rhenium Re.
  • the superalloy can also include minor addition elements, which are addition elements whose maximum percentage in the superalloy does not exceed 1% by weight percent.
  • Minor addition elements include: hafnium Hf and silicon Si.
  • the nickel-based superalloy comprises, in percentages by mass, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0.5 to 4% molybdenum, 3 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities .
  • the nickel-based superalloy can also advantageously comprise, in percentages by weight, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0, 5 to 4% molybdenum, 3 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.05% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the nickel-based superalloy may also advantageously comprise, in percentages by weight, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.1% hafnium, 0, 5 to 4% molybdenum, 3 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the nickel-based superalloy can also advantageously comprise, in percentages by mass, 6 to 8% of aluminum, 12 to 15% of cobalt,
  • chromium 0 to 0.05% hafnium, 0.5 to 4% molybdenum, 3 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the nickel-based superalloy can also advantageously comprise, in percentages by weight, 6 to 8% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4 to 8% chromium, 0 to 0.1% hafnium (preferably 0 to 0.05% hafnium), 0.5 to 4% molybdenum, 3 to 6% rhenium, 4 to 6% tantalum, 1 to 3% titanium, 0 to 2% tungsten, 0 to 0 .05% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also advantageously comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0.5 to 3.5% molybdenum, 3.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0 to 1 , 5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.2% of hafnium, 0.5 to 3.5% molybdenum, 3.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, 0-1.5% tungsten, 0-0.05% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also advantageously comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.1% hafnium, 0.5 to 3.5% molybdenum, 3.5 to 5.5% rhenium,
  • tantalum 1.5 to 2.5% titanium, 0 to 1.5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and unavoidable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.05% of hafnium, 0.5 to 3.5% molybdenum, 3.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0 to 1, 5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 15% cobalt, 4.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.1% of hafnium (preferably 0 to 0.05% hafnium), 0.5 to 3.5% molybdenum,
  • the superalloy may also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% of aluminum, 13 to 15% of cobalt, 4.5 to 5.5% of chromium, 0 to 0.2% of hafnium,
  • the superalloy may also comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.15% hafnium, 1 , 5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum,
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% of aluminum, 13 to 15% of cobalt, 4.5 to 5.5% of chromium, 0 to 0.1% of hafnium,
  • molybdenum 1.5-2.5% molybdenum, 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, 0.5 to 1.5% tungsten, the remainder consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also include, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 1.5 to 2.5% molybdenum , 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0.5 to 1.5% tungsten, 0 to 0.1 % silicon, the remainder being nickel and unavoidable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.1% hafnium, 1 , 5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0.5 to 1.5 % tungsten, 0 to 0.1% silicon, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also include, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 1.5 to 2.5% molybdenum , 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, 0.5 to 1.5% tungsten, the remainder consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0 , 5 to 1.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 4.5 to 5.5% chromium, 0.5 to 1.5% molybdenum , 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 14% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 1 , 5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also comprise, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 14% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 1.5 to 2.5% of molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% of aluminum, 13 to 15% of cobalt, 5.5 to 6.5% of chromium, 0 to 0.2% of hafnium,
  • molybdenum 1.5 to 2.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also include, in percentages by weight, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 1.5 to 2.5% molybdenum , 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 14% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0 to 0.2% hafnium, 0 , 5 to 1.5% molybdenum, 4.5 to 5.5% rhenium, 4.5 to 5.5% tantalum, 1.5 to 2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 12 to 14% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.5 to 1.5% molybdenum , 4.5-5.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% of aluminum, 13 to 15% of cobalt, 6.5 to 7.5% of chromium, 0 to 0.2% of hafnium,
  • the superalloy can also include, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 1.5 to 2.5% molybdenum , 3.5-4.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy can also comprise, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% of aluminum, 13 to 15% of cobalt, 5.5 to 6.5% of chromium, 0 to 0.2% of hafnium,
  • the superalloy can also include, in percentages by mass, 6.5 to 7.5% aluminum, 13 to 15% cobalt, 5.5 to 6.5% chromium, 2.5 to 3.5% molybdenum , 3.5-4.5% rhenium, 4.5-5.5% tantalum, 1.5-2.5% titanium, the remainder being nickel and inevitable impurities.
  • Cobalt, chromium, tungsten, molybdenum and rhenium participate mainly in the hardening of phase g, the austenitic matrix of CFC structure.
  • Aluminum, titanium and tantalum promote the precipitation of phase g ', the hardening phase Ni 3 (Al, Ti, Ta) of ordered cubic structure L1 2 .
  • rhenium slows down diffusive processes, limits the coalescence of the g ’phase, thus improving creep resistance at high temperature.
  • the rhenium content should not be too high so as not to negatively impact the mechanical properties of the superalloy part.
  • the refractory elements of molybdenum, tungsten, rhenium and tantalum also make it possible to slow down the mechanisms controlled by diffusion, thus improving the creep resistance of the superalloy part.
  • chromium and aluminum improve resistance to oxidation and corrosion at high temperature, especially around 900 ° C for corrosion, and around 1,100 ° C for oxidation. .
  • silicon and hafnium also make it possible to optimize the resistance to hot oxidation of the superalloy by increasing the adhesion of the layer of alumina Al 2 0 3 which forms on the surface of the superalloy at high temperature in oxidizing medium.
  • chromium and cobalt reduce the temperature of solvus y ’of the superalloy.
  • Cobalt is an element chemically close to nickel which partly replaces nickel to form a solid solution in the y phase, thus making it possible to strengthen the y matrix, reduce the sensitivity to precipitation of topologically compact phases, in particular the m phases , P, R, and s, and the phases of Laves, and reduce sensitivity to secondary reaction zone (ZRS) formation.
  • ZRS secondary reaction zone
  • Such a superalloy composition makes it possible to improve the mechanical strength properties at high temperature (650 ° C-1200 ° C) of the parts made from said superalloy.
  • such a superalloy composition makes it possible to obtain a minimum breaking stress of 250 MPa at 950 ° C for 110Oh, as well as a minimum breaking stress of 150MPa at 1050 ° C for 550h, and as well as a breaking stress minimum of 55MPa at 1200 ° C for 51 Ohms.
  • Such mechanical properties are in particular due to a microstructure comprising a phase g and a phase g ′, and a maximum content of topologically compact phases of 6%, in molar percentage.
  • Topologically compact phases include m, P, R, and s phases, as well as Laves phases.
  • the microstructure can also include the following carbides: MC, M 6 C, M 7 C 3 , and M23C 6
  • Such a superalloy composition also improves the resistance to oxidation and corrosion of parts made from said superalloy. Resistance to corrosion and oxidation is obtained by ensuring a minimum of 9.5%, in atomic percentage, of aluminum in phase g at 1200 ° C, and a minimum of 7.5%, in atomic percentage , chromium in phase g at 1200 ° C, thus ensuring the formation of a protective layer of alumina on the surface of the material.
  • such a superalloy composition makes it possible to simplify the process for manufacturing the part.
  • Such a simplification is ensured by obtaining a difference of at least 10 ° C between the solvus temperature of the precipitates y 'and the solidus temperature of the superalloy, thus facilitating the implementation of a step of redissolving the precipitates during the manufacture of the part.
  • such a superalloy composition makes it possible to improve the manufacture by reducing the risk of formation of defects during the manufacture of the part, and in particular the formation of parasitic grains of the “Freckles” type during directed solidification.
  • the superalloy composition makes it possible to reduce the part's sensitivity to the formation of parasitic “Freckles” grains.
  • the part's sensitivity to the formation of "Freckles” parasitic grains is evaluated using Konter's criterion, denoted NFP, which is given by the following equation (1):
  • Ta corresponds to the tantalum content in the superalloy, in percentage by mass
  • Hf corresponds to the hafnium content in the superalloy, in percentage by mass
  • Mo corresponds to the molybdenum content in the superalloy, in percentage by mass
  • Ti corresponds to the content of titanium in the superalloy, in percentage by mass
  • W corresponds to the content of tungsten in the superalloy, in percentage by mass
  • % Re corresponds to the content of rhenium in the superalloy, in percentage by mass.
  • the superalloy composition makes it possible to obtain an NFP parameter greater than or equal to 0.7, a value from which the formation of parasitic "Freckles" grains is greatly reduced.
  • such a superalloy composition makes it possible to obtain a reduced density, in particular a density of less than 8.4 g / cm 3 .
  • Table 1 below gives the composition, in percentages by mass, of seven examples of superalloys according to the invention, Examples 1 to 11, as well as commercial or reference superalloys, Examples 12 to 16.
  • Example 12 corresponds to the René®N5 superalloy
  • example 13 corresponds to the CMSX-4® superalloy
  • example 14 corresponds to the CMSX-4 Plus® Mod C superalloy
  • example 15 corresponds to the René®N6 superalloy
  • example 16 corresponds to the CMSX-10 K® superalloy.
  • Table 2 gives estimated characteristics of the superalloys cited in Table 1.
  • the characteristics given in Table 2 are the density (density), the Konter criterion (NFP), as well as the rupture stress by creep at 950 ° C in 1100h, the creep rupture stress at 1050 ° C in 550h, and the creep rupture stress at 1200 ° C in 510h, the creep rupture stresses are named CRF in Table 2. [Table 2]
  • Table 3 gives the estimated characteristics of the superalloys mentioned in Table 1.
  • the characteristics given in Table 3 are the different transformation temperatures (the solvus, the solidus and the liquidus), the molar fraction of the phase g 'at 900 ° C, at 1050 ° C and at 1200 ° C, the molar fraction of the topologically compact phases (PTC) at 900 ° C and at 1050 ° C.
  • the molar fractions of phase g ' are high at 1200 ° C (between 35% and 40% in molar percentage), thus translating a high stability hardening precipitates, thus improving the mechanical characteristics at high temperature.
  • the molar fraction of topologically compact phases for the superalloys of Examples 1 to 11 is low at 900 ° C (“5%) and negligible at 1050 ° C ( ⁇ 0.5%), also reflecting a high stability of the temperature. microstructure, which improves mechanical characteristics at high temperatures.
  • Table 4 gives estimated characteristics of the superalloys cited in Table 1.
  • the characteristics given in Table 4 are the activity of chromium in phase g at 900 ° C, and the activity of aluminum in phase g at 1100 ° C.
  • the activities of chromium and aluminum in the matrix g are an indication of the resistance to corrosion and oxidation, the higher the activity of chromium and the activity of aluminum in the matrix, the greater the resistance corrosion and oxidation is high.
  • the superalloys according to the invention have higher mechanical properties at high temperature than the alloys of the state of the art, while having a lower density and resistance to heat. corrosion and oxidation superior.
  • the nickel-based superalloy part can be produced by casting.
  • the casting of the part is carried out by melting the superalloy, the liquid superalloy being poured into a mold in order to be cooled and solidified.
  • the manufacture by foundry of the part can for example be carried out with the lost wax technique, in particular to manufacture a blade.
  • the method can comprise a directed solidification step. Directed solidification is achieved by controlling the thermal gradient and the rate of solidification of the superalloy, and by introducing a single crystal seed or by using a grain selector, in order to prevent the appearance of new seeds ahead of the solidification front.
  • Directed solidification can in particular allow the manufacture of a single crystal blade whose crystalline structure is oriented along a crystallographic direction ⁇ 001> which is parallel to the longitudinal direction of the blade, that is to say along the radial direction of the turbomachine, such an orientation offering better mechanical properties.

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Abstract

L'invention concerne un superalliage à base nickel comprenant, en pourcentages massiques, 6 à 8% d'aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.

Description

Description
Titre de l'invention : SUPERALLIAGE A BASE DE NICKEL A FAIBLE DENSITE ET AVEC UNE TENUE MECANIQUE ET ENVIRONNEMENTALE ELEVEE A HAUTE
TEMPERATURE
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général des superalliages à base de nickel pour des turbomachines, notamment pour les aubes fixes, aussi appelées distributeurs ou redresseurs, ou les aubes mobiles, ou encore les segments d’anneau.
Technique antérieure
Les superalliages à base de nickel sont généralement utilisés pour les parties chaudes des turbomachines, c’est-à-dire les parties des turbomachines situées en aval de la chambre de combustion.
Les superalliages à base de nickel ont pour principaux avantages de combiner à la fois une résistance au fluage élevée aux températures comprises entre 650 °C et 1200°C, ainsi qu’une résistance à l’oxydation et àla corrosion.
La tenue aux hautes températures est principalement due à la microstructure de ces matériaux, qui est composée d’une matrice g-Ni de structure cristalline cubique à faces centrées (CFC) et de précipités durcissants ordonnés y’-Ni3AI de structure L12.
Certaines nuances de superalliages à base de nickel sont employées pour la fabrication de pièces monocristallines.
Exposé de l’invention
La présente invention a pour but de proposer des compositions de superalliages à base de nickel qui permettent d’améliorer la résistance mécanique, et notamment la résistance au fluage. Un autre but de la présente invention est de proposer des compositions de superalliage qui permettent d’améliorer la résistance à l’environnement, et notamment la résistance à la corrosion et la résistance à l’oxydation.
La présente invention a également pour but de proposer des compositions de superalliage qui possède une masse volumique réduite.
Selon un premier aspect, l’invention propose un superalliage à base de nickel comprenant, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
On définit par alliage à base de nickel un alliage dont le pourcentage massique en nickel est majoritaire.
On définit les impuretés inévitables comme les éléments qui ne sont pas ajoutés de manière intentionnelle dans la composition et qui sont apportés avec d’autres éléments. Parmi les impuretés inévitables, on peut notamment citer le carbone (C) ou le soufre (S).
Le superalliage à base de nickel selon l’invention dispose d’une bonne stabilité microstructurale en température, permettant ainsi d’obtenir des caractéristiques mécaniques élevées en température.
Le superalliage à base de nickel selon l’invention dispose d’une résistance à la corrosion et d’une résistance à l’oxydation améliorée.
Le superalliage à base de nickel selon l’invention permet de réduire la sensibilité à la formation de défauts de fonderie.
Le superalliage à base de nickel selon l’invention permet de disposer d’une masse volumique inférieure à 8,4 g. cm 3.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,05% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Par ailleurs, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,15% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,15% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut en outre comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 1 ,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 14% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une autre variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium,
4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une autre variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques : 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 14% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 1 ,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium,
4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une autre variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques: 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium,
4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques: 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Selon un deuxième aspect, l’invention propose une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
La pièce peut être un élément d’une turbine de turbomachine d’aéronef, par exemple une turbine haute-pression ou une turbine basse-pression, ou bien un élément de compresseur, et notamment de compresseur haute pression.
Selon une caractéristique additionnelle, la pièce de turbine ou de compresseur peut être une aube, ladite aube pouvant être une aube mobile ou une aube fixe, ou bien un secteur d’anneau.
Selon une autre caractéristique, la pièce de turbomachine est monocristalline, de préférence avec une structure cristalline orientée selon une direction cristallographique <001 >.
Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes par fonderie.
Selon une caractéristique additionnelle, le procédé comprend une étape de solidification dirigée pour former une pièce monocristalline.
Description des modes de réalisation
Le superalliage selon l’invention comprend une base de nickel à laquelle sont associés des éléments d’addition majeurs.
Les éléments d’addition majeurs comprennent : le cobalt Co, le chrome Cr, le molybdène Mo, le tungstène W, l’aluminium Al, le tantale Ta, le titane Ti, et le rhénium Re.
Le superalliage peut également comprendre des éléments d’addition mineurs, qui sont des éléments d’addition dont le pourcentage maximum dans le superalliage ne dépasse pas 1 % en pourcentage massique.
Les éléments d’addition mineurs comprennent : le hafnium Hf et le silicium Si.
Le superalliage à base de nickel comprend, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,05% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt,
4 à 8% de chrome, 0 à 0,05% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 6 à 8% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium (de préférence 0 à 0,05% de hafnium), 0,5 à 4% de molybdène, 3 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,05% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
De manière avantageuse, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,05% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium, 0,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 5,5% de rhénium,
4.5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
De manière préférentielle, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,05% de hafnium, 0,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
De manière préférentielle, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium (de préférence 0 à 0,05% de hafnium), 0,5 à 3,5% de molybdène,
3.5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,05% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium,
1.5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,15% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale,
1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium,
1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,1 % de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, 0 à 0,1 % de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1 ,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 1 ,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0,5 à 1 ,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 14% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 14% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium,
1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 14% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 1 ,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 12 à 14% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,5 à 1 ,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium,
1.5 à 2,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 1 ,5 à 2,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium,
2.5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d’aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 2,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1 ,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
Le cobalt, le chrome, le tungstène, le molybdène et le rhénium participent principalement au durcissement de la phase g, la matrice austénitique de structure CFC.
L’aluminium, le titane et le tantale favorisent la précipitation de la phase g’, la phase durcissante Ni3 (Al, Ti, Ta) de structure cubique ordonnée L12.
Par ailleurs, le rhénium permet de ralentir les processus diffusifs, de limiter la coalescence de la phase g’, améliorant ainsi la résistance au fluage à haute température. Toutefois, la teneur en rhénium ne doit pas être trop importante afin de ne pas impacter négativement les propriétés mécaniques de la pièce en superalliage.
Les éléments réfractaires que sont le molybdène, le tungstène, le rhénium et le tantale permettent également de ralentir les mécanismes contrôlés par la diffusion, améliorant ainsi la résistance au fluage de la pièce en superalliage.
En outre, le chrome et l’aluminium permettent d’améliorer la résistance à l’oxydation et à la corrosion à haute température, notamment aux environs des 900 °C pour la corrosion, et aux environs des 1 100°C pour l’oxydaton.
L’addition de silicium et de hafnium permettent également d’optimiser la tenue à l’oxydation à chaud du superalliage en augmentant l’adhérence de la couche d’alumine Al203 qui se forme à la surface du superalliage à haute température en milieu oxydant.
Par ailleurs, le chrome et le cobalt permettent de diminuer la température de solvus y’ du superalliage.
Le cobalt est un élément chimiquement proche du nickel qui se substitue en partie au nickel pour former une solution solide dans la phase y, permettant ainsi de renforcer la matrice y, de réduire la sensibilité à la précipitation de phases topologiquement compactes, notamment les phases m, P, R, et s, et les phases de Laves, et de réduire la sensibilité à la formation de zone de réaction secondaire (ZRS).
Une telle composition de superalliage permet d’améliorer les propriétés de tenue mécanique à haute température (650°C-1200°C) des pèces fabriquées à partir dudit superalliage.
Notamment, une telle composition de superalliage permet d’obtenir une contrainte de rupture minimum de 250MPa à 950°C pendant 1 10Oh, ainsi qu’une contrainte de rupture minimum de 150MPa à 1050°C pendant 550h, etainsi qu’une contrainte de rupture minimum de 55MPa à 1200° C pendant 51 Oh.
De telles propriétés mécaniques sont notamment dues à une microstructure comprenant une phase g et une phase g’, et une teneur en phases topologiquement compactes maximale de 6%, en pourcentage molaire. Les phases topologiquement compactes comprennent les phases m, P, R, et s, ainsi que les phases de Laves. La microstructure peut également comprendre les carbures suivant : MC, M6C, M7C3, et M23C 6·
Par ailleurs, ces propriétés mécaniques de résistance au fluage en température sont obtenues grâce à une meilleure stabilité de la microstructure entre 650 °C et 1200° C.
Une telle composition de superalliage permet également d’améliorer la résistance à l’oxydation et à la corrosion des pièces fabriquées à partir dudit superalliage. La résistance à la corrosion et à l’oxydation est obtenue en assurant un minimum de 9,5%, en pourcentage atomique, d’aluminium dans la phase g à 1200° C, et un minimum de 7,5%, en pourcentage atomique, de chrome dans la phase g à 1200° C, assurant ainsi la formation d’une couche protectrice d’alumine à la surface du matériau.
De plus, une telle composition de superalliage permet de simplifier le procédé de fabrication de la pièce. Une telle simplification est assurée en obtenant une différence d’au moins 10° C entre la température de solvus des précipités y’ et la température de solidus du superalliage, facilitant ainsi la mise en oeuvre d’une étape de remise en solution des précipités g lors de la fabrication de la pièce.
En outre, une telle composition de superalliage permet d’améliorer la fabrication en réduisant le risque de formation de défauts lors de la fabrication de la pièce, et notamment la formation de grains parasites de type « Freckles » lors de la solidification dirigée.
En effet, la composition de superalliage permet de réduire la sensibilité de la pièce à la formation de grains parasites « Freckles ». La sensibilité de la pièce à la formation de grains parasites « Freckles » est évaluée à l’aide du critère de Konter, noté NFP, qui est donné par l’équation (1 ) suivante:
[Math. 1 ]
Où %Ta correspond à la teneur de tantale dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %Hf correspond à la teneur de hafnium dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %Mo correspond à la teneur de molybdène dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %Ti correspond à la teneur de titane dans le superalliage, en pourcentage massique ; où %W correspond à la teneur de tungstène dans le superalliage, en pourcentage massique ; et où %Re correspond à la teneur de rhénium dans le superalliage, en pourcentage massique.
La composition de superalliage permet d’obtenir un paramètre NFP supérieur ou égal à 0,7, valeur à partir de laquelle la formation de grains parasites « Freckles » est fortement réduite.
Par ailleurs, une telle composition de superalliage permet d’obtenir une masse volumique réduite, notamment une masse volumique inférieure à 8,4 g/cm3.
Le tableau 1 ci-dessous donne la composition, en pourcentages massiques, de sept exemples de superalliages selon l’invention, les exemples 1 à 1 1 , ainsi que des superalliages commerciaux ou de référence, les exemples 12 à 16. L’exemple 12 correspond au superalliage René®N5, l’exemple 13 correspond au superalliage CMSX-4®, l’exemple 14 correspond au superalliage CMSX-4 Plus® Mod C, l’exemple 15 correspond au superalliage René®N6, et l’exemple 16 correspond au superalliage CMSX-10 K®. [Table 1 ]
Tableau 1
Le tableau 2 donne des caractéristiques estimées des superalliages cités dans le tableau 1. Les caractéristiques données dans le tableau 2 sont la densité (la masse volumique), le critère de Konter (NFP), ainsi que la contrainte de rupture par fluage à 950°C en 1 100h, la contrainte de rupture par fluage à 1050°C en 550h, et la contrainte de rupture par fluage à 1200°C en 510h, les contraintes de rupture par fluage sont nommés CRF dans le tableau 2. [Table 2]
Tableau 2
Le tableau 3 donne des caractéristiques estimées des superalliages cités dans le tableau 1. Les caractéristiques données dans le tableau 3 sont les différentes températures de transformation (le solvus, le solidus et le liquidus), la fraction molaire de la phase g’ à 900 °C, à 1050°C et à 1200°C, la fraction molaèr des phases topologiquement compactes (PTC) à 900°C et à1050°C.
[Table 3]
Tableau 3
Comme cela est illustré dans le tableau 3, pour les superalliages des exemples 1 à 1 1 , les fractions molaires de phase g’ sont élevées à 1200°C (comprises entre 35% et 40% en pourcentage molaire), traduisant ainsi une grande stabilité des précipités durcissants, améliorant ainsi les caractéristiques mécaniques à haute température. De plus, la fraction molaire de phases topologiquement compactes pour les superalliages des exemples 1 à 11 est faible à 900 °C («5%) et négligeable à 1050°C (<0,5%), traduisant également une grande stabilité de la microstructure, ce qui améliore les caractéristiques mécaniques à haute température.
Le tableau 4 donne des caractéristiques estimées des superalliages cités dans le tableau 1. Les caractéristiques données dans le tableau 4 sont l’activité du chrome dans la phase g à 900°C, et l’activité de l’aluminium dans la phase g à 1100°C. Les activités du chrome et de l’aluminium dans la matrice g sont une indication de la résistance à la corrosion et à l’oxydation, plus l’activité du chrome et l’activité de l’aluminium dans la matrice sont élevées, plus la résistance à la corrosion et à l’oxydation est élevée.
[Table 4]
Tableau
Comme cela est illustré dans les tableaux 2, 3 et 4, les superalliages selon l’invention possèdent des propriétés mécaniques supérieures à haute température aux alliages de l’état de la technique, tout en présentant une masse volumique plus faible et une résistance à la corrosion et à l’oxydation supérieure.
Les propriétés données dans les tableaux 3 et 4 sont estimées à l’aide de la méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams).
La pièce en superalliage à base de nickel peut être réalisée par fonderie. La fabrication par fonderie de la pièce est réalisée par fusion du superalliage, le superalliage liquide étant versé dans un moule afin d’être refroidi et solidifié. La fabrication par fonderie de la pièce peut par exemple être réalisée avec la technique de la cire perdue, notamment pour fabriquer une aube.
Par ailleurs, afin de réaliser une pièce monocristalline, notamment une aube, le procédé peut comprendre une étape de solidification dirigée. La solidification dirigée est réalisée en contrôlant le gradient thermique et la vitesse de solidification du superalliage, et en introduisant un germe monocristallin ou en utilisant un sélecteur de grain, afin d’éviter l’apparition de germes nouveaux en avant du front de solidification.
La solidification dirigée peut notamment permettre la fabrication d’une aube monocristalline dont la structure cristalline est orientée selon une direction cristallographique <001 > qui est parallèle à la direction longitudinale de l’aube, c’est- à-dire selon la direction radiale de la turbomachine, une telle orientation offrant de meilleures propriétés mécaniques.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Superalliage à base nickel comprenant, en pourcentages massiques, 6 à 8% d'aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 2] Superalliage selon la revendication 1, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6 à 8% d'aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,05% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 3] Superalliage selon la revendication 1, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6 à 8% d'aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4 à 8% de chrome, 0 à 0,15% de hafnium, 0,5 à 4% de molybdène, 3,5 à 6% de rhénium, 4 à 6% de tantale, 1 à 3% de titane, 0 à 2% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 4] Superalliage selon la revendication 1, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques , 6,5 à 7,5% d'aluminium, 12 à 15% de cobalt, 4,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, 0 à 1,5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. [Revendication 5] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, 0,5 à 1,
5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 6] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 13 à 15% de cobalt, 4,5 à 5,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 1,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 7] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 12 à 14% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 8] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1,5 à 2,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 9] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 12 à 14% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 0,5 à 1,5% de molybdène, 4,5 à 5,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 10] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 13 à 15% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 1,5 à 2,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 11] Superalliage selon la revendication 4, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 6,5 à 7,5% d'aluminium, 13 à 15% de cobalt, 5,5 à 6,5% de chrome, 0 à 0,2% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 3,5 à 4,5% de rhénium, 4,5 à 5,5% de tantale, 1,5 à 2,5% de titane, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
[Revendication 12] Pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
[Revendication 13] Pièce selon la revendication 12, dans laquelle ladite pièce est monocristalline.
[Revendication 14] Procédé de fabrication d'une pièce de turbomachine en superalliage à base de nickel selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 par fonderie.
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