EP3911774B1 - Superalliage a base de nickel a tenue mecanique elevee a haute temperature - Google Patents

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EP3911774B1
EP3911774B1 EP20706569.9A EP20706569A EP3911774B1 EP 3911774 B1 EP3911774 B1 EP 3911774B1 EP 20706569 A EP20706569 A EP 20706569A EP 3911774 B1 EP3911774 B1 EP 3911774B1
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rhenium
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Edern MENOU
Clara DESGRANGES
Franck TANCRET
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Safran SA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Nantes
Safran SA
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of nickel-based superalloys for turbomachines, in particular for stationary blades, also called distributors or rectifiers, or moving blades, or even ring segments.
  • Nickel-based superalloys are generally used for the hot parts of turbomachines, that is to say the parts of the turbomachines located downstream of the combustion chamber.
  • WO 2018/078269 A1 discloses a nickel-based superalloy suitable for the manufacture of blades for a turbomachine.
  • Nickel-based superalloys have the main advantages of combining both 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 ⁇ -Ni matrix of face-centered cubic crystalline structure (CFC) and ordered hardening ⁇ '-Ni3Al precipitates of L1 2 structure.
  • CFC face-centered cubic crystalline structure
  • a protective coating can be deposited on the part.
  • the protective coating can also act as a thermal insulator in order to reduce the temperature seen by the superalloy substrate on which the protective coating is deposited.
  • the protective coating is generally composed of a first layer, and of a second layer deposited on the first layer.
  • the first layer is deposited over the superalloy.
  • the first layer is commonly composed of an aluminoforming alloy.
  • the second layer is a porous ceramic coating.
  • parasitic grains of the “Freckle” type can form. These parasitic grains are likely to cause premature breakage of the part.
  • the object of the present invention is to propose nickel-based superalloy compositions which make it possible to improve the adhesion between the superalloy and the protective coating.
  • Another object of the present invention is to propose compositions of nickel-based superalloys which make it possible to improve the mechanical characteristics, and in particular the resistance to creep.
  • Another object of the present invention is to provide superalloy compositions which have good resistance to the environment, and in particular resistance to corrosion and resistance to oxidation.
  • the present invention also aims to provide superalloy compositions which have a reduced density.
  • the invention proposes a nickel-based superalloy comprising, in mass percentages, 4 to 6% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6 to 9% chromium, 0.1 to 0.9 % hafnium, 2-4% molybdenum, 5-7% rhenium, 5-7% tantalum, 2-5% tungsten, 0-0.1% silicon, balance nickel and impurities inevitable.
  • a nickel-based alloy is defined as an alloy in which the mass percentage of nickel is predominant.
  • Unavoidable impurities are defined as elements which are not intentionally added to the composition and which are added with other elements. Among the unavoidable impurities, mention may in particular be made of carbon (C), 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 makes it possible to improve the behavior of a protective coating on said superalloy thanks to the absence of titanium (Ti).
  • the nickel-based superalloy according to the invention has a high resistance to corrosion and to oxidation.
  • the nickel-based superalloy according to the invention makes it possible to reduce the sensitivity to the formation of foundry defects.
  • the nickel-based superalloy according to the invention makes it possible to have a density of less than 8.9 g.cm -3 .
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6.5 to 8.5% chromium, 0.1 to 0, 6% hafnium, 2.5-3.5% molybdenum, 5.5-6.5% rhenium, 5.5-6.5% tantalum, 2.5-4.5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the balance consisting of nickel and the inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6.5 to 8.5% chromium, 0.1 to 0.6% hafnium, 2.5-3.5% molybdenum, 5.5-6.5% rhenium, 5.5-6.5% tantalum, 2.5-4.5% tungsten, balance being consisting of nickel and the inevitable impurities.
  • silicon is an unavoidable impurity.
  • the superalloy may also include, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6.5 to 8.5% chromium, 0.2 to 0.5% hafnium , 2.5-3.5% molybdenum, 5.5-6.5% rhenium, 5.5-6.5% tantalum, 2.5-4.5% tungsten, the balance being nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 6 to 8% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.1 to 0, 6% hafnium, and preferably 0.2 to 0.5%, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 3.5 to 4.5% tungsten, the balance consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 6 to 8% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.1 to 0 .6% hafnium, and preferably 0.2 to 0.5%, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum , 2.5 to 3.5% tungsten, the balance consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 7% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.1 to 0.6% hafnium, and preferably 0.2 to 0.5%, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 3.5% tungsten, the balance consisting of nickel and unavoidable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 6 to 8% cobalt, 7.5 to 8.5% chromium, 0.1 to 0, 6% hafnium, and preferably 0.2 to 0.5%, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 to 3.5% tungsten, the balance being made up of nickel and the inevitable impurities.
  • the invention proposes a turbomachine part made of nickel-based superalloy according to any one of the preceding characteristics.
  • the part can 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 element.
  • the turbine or compressor part can be a blade, said blade being able to be a mobile blade or a stationary blade, or even a ring sector.
  • the turbomachine part comprises a thermal protective coating formed of a bonding layer deposited on the superalloy with nickel base, and a thermal barrier layer deposited on the bonding layer.
  • the turbomachine part is monocrystalline, preferably with a crystalline structure oriented along a ⁇ 001> crystallographic direction.
  • the invention proposes a method for manufacturing a nickel-based superalloy turbomachine part according to any one of the preceding characteristics by foundry.
  • the superalloy according to the invention comprises a nickel base with which are associated major addition elements.
  • the major addition elements include: cobalt Co, chromium Cr, molybdenum Mo, tungsten W, aluminum AI, tantalum Ta, titanium Ti, and rhenium Re.
  • the superalloy may also comprise minor addition elements, which are addition elements whose maximum percentage in the superalloy does not exceed 1% in mass percentage.
  • Minor addition elements include: hafnium Hf and silicon Si.
  • the nickel-based superalloy comprises, in mass percentages, 4 to 6% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6 to 9% chromium, 0.1 to 0.9% hafnium, 2 to 4% molybdenum, 5-7% rhenium, 5-7% tantalum, 2-5% tungsten, 0-0.1% silicon, the balance being nickel and unavoidable impurities.
  • the nickel-based superalloy may also advantageously comprise, in mass percentages, 4 to 6% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6 to 9% chromium, 0.1 to 0.9% hafnium, 2-4% molybdenum, 5-7% rhenium, 5-7% tantalum, 2-5% tungsten, balance nickel and unavoidable impurities.
  • silicon is an unavoidable impurity.
  • the nickel-based superalloy may also advantageously comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6.5 to 8.5% chromium, 0.1 to 0.6% hafnium, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 to 4.5% tungsten, 0 to 0.1% silicon, the balance consisting of nickel and unavoidable impurities.
  • the nickel-based superalloy may also advantageously comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6.5 to 8.5% chromium, 0.1 to 0.6% hafnium, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 to 4.5% tungsten, the balance consisting of nickel and inevitable impurities.
  • silicon is an unavoidable impurity.
  • the nickel-based superalloy may also advantageously comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 8% cobalt, 6.5 to 8.5% chromium, 0.2 to 0.5% hafnium, 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 to 4.5% tungsten, the balance consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may also advantageously comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 6 to 8% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.1 to 0, 6% hafnium (and preferably 0.2-0.5%), 2.5-3.5% molybdenum, 5.5-6.5% rhenium, 5.5-6.5% tantalum , 3.5 to 4.5% tungsten, the balance consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 6 to 8% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.1 to 0.6 % hafnium (and preferably 0.2 to 0.5%), 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 to 3.5% tungsten, the balance being made up of nickel and the inevitable impurities.
  • the superalloy may also advantageously comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 5 to 7% cobalt, 6.5 to 7.5% chromium, 0.1 to 0, 6% hafnium (and preferably 0.2-0.5%), 2.5-3.5% molybdenum, 5.5-6.5% rhenium, 5.5-6.5% tantalum , 2.5 to 3.5% tungsten, the balance consisting of nickel and inevitable impurities.
  • the superalloy may comprise, in mass percentages, 4.5 to 5.5% aluminum, 6 to 8% cobalt, 7.5 to 8.5% chromium, 0.1 to 0.6 % hafnium (and preferably 0.2 to 0.5%), 2.5 to 3.5% molybdenum, 5.5 to 6.5% rhenium, 5.5 to 6.5% tantalum, 2.5 to 3.5% tungsten, the balance being made up of nickel and the inevitable impurities.
  • Cobalt, chromium, tungsten, molybdenum and rhenium mainly participate in the hardening of the ⁇ phase, the austenitic matrix of CFC structure.
  • Aluminum and tantalum favor the precipitation of the ⁇ ' phase, the hardening phase Ni 3 (Al, Ti, Ta) of ordered cubic structure L1 2 .
  • rhenium makes it possible to slow down the diffusive processes, to limit the coalescence of the ⁇ ' phase, thus improving the resistance to creep at high temperature.
  • the rhenium content should not be too high so as not to negatively impact the other mechanical properties of the superalloy part.
  • the refractory elements of molybdenum, tungsten, rhenium and tantalum also help to slow diffusion-controlled mechanisms, thus improving the creep resistance of the superalloy part.
  • chromium and aluminum make it possible to improve resistance to oxidation and corrosion at high temperature, in particular around 900° C. for corrosion, and around 1100° C. for oxidaton.
  • the hafnium also makes it possible to optimize the resistance to hot oxidation of the superalloy by increasing the adhesion of the layer of alumina Al 2 O 3 which forms on the surface of the superalloy at high temperature in an oxidizing medium.
  • the silicon can also make it possible to optimize the resistance to hot oxidation of the superalloy.
  • chromium and cobalt make it possible to reduce the temperature of the ⁇ ' solvus of the superalloy.
  • Cobalt is an element chemically close to nickel which partly replaces nickel to form a solid solution in the ⁇ phase, thus making it possible to reinforce the ⁇ matrix, to reduce the sensitivity to precipitation of topologically compact phases, in particular the ⁇ phases , P, R, and ⁇ , and lavas, and reduce susceptibility to secondary reaction zone (SRZ) formation.
  • SRZ secondary reaction zone
  • the fact that the superalloy does not include titanium is beneficial for the behavior and the lifetime of a thermal protective coating deposited on the superalloy.
  • 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 290 MPa at 950° C. for 1100 h, as well as a minimum breaking stress of 150 MPa at 1050° C. for 550 h, and as well as a minimum breaking stress of 55MPa at 1200°C for 510h.
  • Such mechanical properties are in particular due to a microstructure comprising a ⁇ phase and a ⁇ ′ phase, and a maximum topologically compact phase content of 6%, in molar percentage.
  • Topologically compact phases include the ⁇ , P, R, and ⁇ phases, as well as the Lavas.
  • the microstructure may also comprise the following carbides: MC, M 6 C, M 7 C 3 , and M 23 C 6 .
  • Such a superalloy composition also makes it possible to obtain a high resistance to oxidation and to corrosion of the parts made from said superalloy. Corrosion and oxidation resistance is obtained by ensuring a minimum of 9.5%, in atomic percentage, of aluminum in the ⁇ phase at 1200°C, and a minimum of 7.5%, in atomic percentage , chromium in the ⁇ phase 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°K between the desolvus temperature of the ⁇ ' precipitates and the solidus temperature of the superalloy, thus facilitating the implementation of a step for redissolving the ⁇ ' precipitates during the manufacture of the part.
  • such a superalloy composition makes it possible to improve manufacture by reducing the risk of formation of defects during manufacture of the part, and in particular the formation of parasitic grains of the “Freckles” type during directional solidification.
  • the superalloy composition makes it possible to reduce the sensitivity of the part to the formation of parasitic “Freckles” grains.
  • %Ta corresponds to the tantalum content in the superalloy, in mass percentage
  • %Hf corresponds to the hafnium content in the superalloy, in mass percentage
  • %Mo corresponds to the molybdenum content in the superalloy, in mass percentage
  • %Ti corresponds to the titanium content in the superalloy, in mass percentage
  • %W corresponds to the tungsten content in the superalloy, in mass percentage
  • %Re corresponds to the rhenium content in the superalloy, in mass percentage.
  • 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 “Freckles” parasitic grains is greatly reduced.
  • such a superalloy composition makes it possible to obtain a reduced density, in particular a density of less than 8.9 g/cm 3 .
  • Example 5 corresponds to the René ® N5 superalloy
  • Example 6 corresponds to the CMSX-4 ® superalloy
  • Example 7 corresponds to the CMSX-4 Plus ® Mod C superalloy
  • Example 8 corresponds to the René ® N6 superalloy
  • Example 9 corresponds CMSX-10 K ® superalloy.
  • Table 2 gives estimated characteristics of the superalloys mentioned in table 1.
  • the characteristics given in table 2 are the density (density), the Konter criterion (NFP), as well as the breaking stress at 950°C during 1100h, the breaking stress at 1050°C for 550h, and the breaking stress at 1200°C for 510h, the breaking stresses are named CRF in table 2, for creep criterion.
  • the superalloys according to the invention make it possible to maintain the density below 8.9 g.cm -3 , thus making the superalloys according to the invention compatible with rotating applications, such as for example turbine blades.
  • the microstructure of the superalloys according to the invention makes it possible to improve the mechanical properties at high temperature of the said superalloys according to the invention.
  • Such a microstructure is obtained by favoring the hardening of the ⁇ matrix at high temperature rather than favoring a hardening by ⁇ ' precipitation, the favoring of the hardening of the ⁇ matrix being obtained by the enrichment in hardening elements such as rhenium, tungsten, molybdenum, chromium and cobalt.
  • the alloys according to the invention have a breaking stress at 950° C. for 1100 h greater than 290 MPa, or even greater than or equal to 300 MPa for Examples 1, 3 and 4, while at most l
  • the alloy according to Example 9 has a breaking stress at 950° C. for 1100 h of 285 MPa.
  • the alloys according to the invention have a breaking stress at 1050° C. for 550 h greater than 180 MPa, while at most the alloy according to example 9 has a breaking stress at 1050° C. for 550 h of 160MPa.
  • the alloys according to the invention have a breaking stress at 1200° C.
  • the alloys according to the invention have a breaking stress globally 10% to 30% higher than the breaking stress of the alloys of examples 5 to 9.
  • Table 3 gives 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 at 900° C, at 1050°C and at 1200°C, the molae fraction, topologically compact phases (PTC) at 900°C and at 1050°C.
  • the molar fraction of topologically compact phases, which are embrittling phases, for the superalloys of examples 1 to 4 is low at 900° C. ( ⁇ 3%) and zero at 1050° C., reflecting also a high stability of the microstructure, which is beneficial for the mechanical characteristics at high temperature.
  • Table 4 gives estimated characteristics of the superalloys mentioned in table 1.
  • the characteristics given in table 4 are the activity of chromium in the ⁇ phase at 900°C, and the activity of aluminum in the ⁇ phase at 1100°C.
  • the activities of chromium and aluminum in the ⁇ matrix are an indication of the corrosion and oxidation resistance, the higher the chromium activity and the aluminum activity in the matrix, the higher the corrosion and oxidation resistance.
  • the superalloys according to the invention exhibit a chromium activity at 900° C. of the same order of magnitude as the superalloys of examples 5 and 6 which are superalloys known to have a high resistance to corrosion.
  • the superalloys according to the invention have an aluminum activity at 1100° C. greater than the superalloy according to Example 9, thus ensuring satisfactory resistance to oxidation.
  • the nickel-based superalloy part can be made by foundry.
  • the casting of the part is made 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 function of the bonding layer is to form an alumina layer which provides protection against oxidation of the underlying superalloy.
  • the bonding layer can have a thickness comprised between 50 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • the bonding layer can be obtained by depositing a layer of platinum on the superalloy, for example by electrodeposition or by chemical vapor deposition, an aluminization at a temperature above 1000° C. then being carried out in order, on the one hand, to deposit aluminum on the platinum layer, and on the other hand to ensure a supply of nickel from the superalloy in the bonding layer by diffusion.
  • the bonding layer can also be formed by depositing a plurality of elementary layers in platinum, nickel and aluminum, for example by physical vapor deposition, a heat treatment then being carried out in order to ensure a reaction between the metals of the layers. filed.
  • the thermal barrier layer can be a ceramic, such as for example yttria zirconia which offers the advantage of having a very low thermal conductivity and a high coefficient of expansion.
  • the thermal barrier layer can be deposited by plasma spraying, or even by physical vapor deposition.
  • the bonding layer can have a thickness comprised between 100 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the thermal protective coating makes it possible, on the one hand, to limit the temperature to which the superalloy is exposed, and on the other hand to protect the superalloy from the oxygen of the environment in which the part is located.
  • the protective coating is advantageous for turbine blades which are parts exposed to combustion gases.
  • the method may comprise a directed solidification step.
  • Controlled solidification is carried out by controlling the thermal gradient and the solidification rate of the superalloy, and by introducing a monocrystalline seed, in order to avoid the appearance of new seeds ahead of the solidification front.
  • Directed solidification can in particular allow the manufacture of a single-crystal part whose crystalline structure is oriented along a ⁇ 001> crystallographic direction, such an orientation offering better mechanical properties.

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Description

    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. WO 2018/078269 A1 divulgue un superalliage à base de nickel adapté pour la fabrication d'aubes pour une turbomachine.
  • 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 γ-Ni de structure cristalline cubique à faces centrées (CFC) et de précipités durcissants ordonnés γ'-Ni3Al de structure L12.
  • Afin d'améliorer la résistance de la pièce en superalliage à un environnement corrosif et/ou oxydant, comme par exemple des gaz de combustion, un revêtement protecteur peut être déposé sur la pièce.
  • Le revêtement protecteur peut également avoir un rôle d'isolant thermique afin de réduire la température vue par le substrat en superalliage sur lequel le revêtement protecteur est déposé.
  • Le revêtement protecteur est généralement composé d'une première couche, et d'une deuxième couche déposée sur la première couche.
  • La première couche, généralement appelée couche de liaison ou sous-couche, est déposée sur le superalliage. La première couche est communément composée d'un alliage aluminoformeur.
  • La deuxième couche, généralement appelée barrière thermique, est un revêtement poreux en céramique.
  • Cependant, à haute température, un important phénomène de d'inter-diffusion à l'échelle microscopique a lieu entre la première couche et le superalliage, modifiant ainsi leurs compositions chimiques respectives. La modification chimique du superalliage et de la première couche modifie leurs propriétés, influençant ainsi l'adhérence du revêtement protecteur.
  • Par ailleurs, lors de la fabrication de la pièce en superalliage, des grains parasites de type « Freckle » peuvent se former. Ces grains parasites sont susceptibles de provoquer une rupture prématurée de la pièce.
    • Exposé de l'invention
  • La présente invention a pour but de proposer des compositions de superalliages à base de nickel qui permettent d'améliorer l'adhésion entre le superalliage et le revêtement protecteur.
  • La présente invention a également pour but de proposer des compositions de superalliages à base de nickel qui permettent d'améliorer les caractéristiques mécaniques, et notamment la résistance au fluage.
  • Un autre but de la présente invention est de proposer des compositions de superalliage qui possède une bonne résistance à l'environnement, et notamment la résistance à la corrosion et la résistance à l'oxydation.
  • La présente 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, 4 à 6% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% 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), 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 permet d'améliorer la tenue d'un revêtement protecteur sur ledit superalliage grâce à l'absence de titane (Ti).
  • Le superalliage à base de nickel selon l'invention dispose d'une résistance élevée à la corrosion et à l'oxydation.
  • 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 8,9 g.cm-3.
  • Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Par ailleurs, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Dans cette variante, le silicium est une impureté inévitable.
  • Le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,2 à 0,5% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 3,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Selon une variante possible, le superalliage peut également comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Le superalliage peut en outre comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 7% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Selon une variante possible, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 7,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, et de préférence 0,2 à 0,5%, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, 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 comprend un revêtement protecteur thermique formé d'une couche de liaison déposée sur le superalliage à base de nickel, et une couche de barrière thermique déposée sur la couche de liaison.
  • 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 le dépôt d'un revêtement protecteur thermique sur la pièce en superalliage à base de nickel selon les étapes suivantes :
    • dépôt d'une couche de liaison sur la pièce ;
    • dépôt d'une couche de barrière thermique sur la couche de liaison.
    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 AI, 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, 4 à 6% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% 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, 4 à 6% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Dans cette variante le silicium est une impureté inévitable.
  • Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% 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, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables. Dans cette variante le silicium est une impureté inévitable.
  • Le superalliage à base de nickel peut également comprendre de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,2 à 0,5% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Le superalliage peut également comprendre, de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 3,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • De manière avantageuse, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • Le superalliage peut également comprendre, de manière avantageuse, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 7% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  • De manière préférentielle, le superalliage peut comprendre, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 7,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium (et de préférence 0,2 à 0,5%), 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, 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 γ, la matrice austénitique de structure CFC.
  • L'aluminium et le tantale favorisent la précipitation de la phase γ', la phase durcissante Ni3 (AI, Ti, Ta) de structure cubique ordonnée L12.
  • Par ailleurs, le rhénium permet de ralentir les processus diffusifs, de limiter la coalescence de la phase γ', 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 autres 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 1100°C pour l'oxydaton.
  • Le hafnium permet également d'optimiser la tenue à l'oxydation à chaud du superalliage en augmentant l'adhérence de la couche d'alumine Al2O3 qui se forme à la surface du superalliage à haute température en milieu oxydant.
  • Le silicium peut également permettre d'optimiser la tenue à l'oxydation à chaud du superalliage.
  • Par ailleurs, le chrome et de cobalt permettent de diminuer la température de solvus γ' 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 γ, permettant ainsi de renforcer la matrice γ, de réduire la sensibilité à la précipitation de phases topologiquement compactes, notamment les phases µ, P, R, et σ, et les laves, et de réduire la sensibilité à la formation de zone de réaction secondaire (ZRS).
  • En outre, le fait que le superalliage ne comprend pas de titane est bénéfique pour la tenue et la durée de vie d'un revêtement protecteur thermique déposé sur le superalliage.
  • 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 290MPa à 950°C pendant 1100h, ainsi qu'une contrainte de rupture minimum de 150Mpa à 1050°C pendant 550h, etainsi qu'une contrainte de rupture minium de 55MPa à 1200°C pendant 510h.
  • De telles propriétés mécaniques sont notamment dues à une microstructure comprenant une phase γ et une phase γ', et une teneur en phases topologiquement compactes maximale de 6%, en pourcentage molaire. Les phases topologiquement compactes comprennent les phases µ, P, R, et σ, ainsi que les Laves. La microstructure peut également comprendre les carbures suivants : MC, M6C, M7C3, et M23C6.
  • 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'obtenir une résistance à l'oxydation et à la corrosion élevée 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 γ à 1200°C, et un minimum de 7,5%, en pourcentage atomique, de chrome dans la phase γ 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°K entre la température desolvus des précipités γ' et la température de solidus du superalliage, facilitant ainsi la mise en oeuvre d'une étape de remise en solution des précipités γ' 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 : NFP = % Ta + 1,5 % Hf + 0,5 % Mo − 0,5 % Ti % W + 1,2 % Re
    Figure imgb0001
  • 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 8,9 g/cm3.
  • Le tableau 1 ci-dessous donne la composition, en pourcentages massiques, de quatre exemples de superalliages selon l'invention, les exemples 1 à 4, ainsi que des superalliages commerciaux ou de référence, les exemples 5 à 9. L'exemple 5 correspond au superalliage René®N5, l'exemple 6 correspond au superalliage CMSX-4®, l'exemple 7 correspond au superalliage CMSX-4 Plus® Mod C, l'exemple 8 correspond au superalliage René®N6, et l'exemple 9 correspond au superalliage CMSX-10 K®.
    • [Table 1]
  • Tableau 1
    Alliages Ni AI Ta Ti Ce Cr Mo W Re Hf Autres
    Ex 1 Balance 5 6 0 7 7 3 4 6 0,5
    Ex 2 Balance 5 6 0 7 7 3 3 6 0,5
    Ex 3 Balance 5 6 0 6 7 3 3 6 0,5
    Ex 4 Balance 5 6 0 7 8 3 3 6 0,5
    Ex 5 Balance 6,2 6 0 8 7 2 5 3 0,15 0,05 C + 0,004 B + 0,01 Y
    Ex 6 Balance 5,6 6,5 1 9 6,5 0,6 6 3 0,1
    Ex 7 Balance 5,7 8 0,85 10 3,5 0,6 6 4,8 0,1
    Ex 8 Balance 6 7,5 0 12,2 4,4 1,1 5,7 5,3 0,15 0,05 C + 0,004 B + 0,01 Y
    Ex 9 Balance 5,7 8 0,2 3 2 0,4 5 6 0,03 0,1 Nb + 0,01Si
  • 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 à 950°C pendant 1100h, la contrainte de rupture à 1050°C pendant 550h, et la contrainte de rupture à 1200°C pendant 510h, les contraintes de rupture sont nommées CRF dans le tableau 2, pour critère de fluage.
    • [Table 2]
  • Tableau 2
    Alliages Densité NFP CRF 950°C/1100 h (MPa) CRF 1050°C/550 h (MPa) CRF 1200°C/510 h (MPa)
    Ex 1 8,88 0,74 303 183 80
    Ex 2 8,83 0,81 299 182 80
    Ex 3 8,82 0,81 300 182 79
    Ex 4 8,81 0,81 306 186 81
    Ex 5 8,58 0,85 222 136 73
    Ex 6 8,67 0,67 237 142 67
    Ex 7 8,90 0,68 265 150 56
    Ex 8 8,87 0,69 278 158 66
    Ex 9 8,98 0,67 285 160 58
  • Comme illustré dans le tableau 2, les superalliages selon l'invention permettent de maintenir la masse volumique en dessous de 8,9 g.cm-3, rendant ainsi compatibles les superalliages selon l'invention avec des applications tournantes, telles que par exemple les aubes de turbine.
  • Par ailleurs, la microstructure des superalliages selon l'invention permet d'améliorer les propriétés mécaniques à haute température desdits superalliages selon l'invention. Une telle microstructure est obtenue en favorisant le durcissement de la matrice γ à haute température plutôt que de favoriser un durcissement par précipitation γ', la favorisation du durcissement de la matrice γ étant obtenue par l'enrichissement en éléments de durcissement tes que le rhénium, le tungstène, le molybdène, le chrome et le cobalt.
  • Comme visible dans le tableau 2, les alliages selon l'invention présentent une contrainte de rupture à 950°C pendant 1100h supérieure à 290 MPa, voire supérieure ou égale 300 MPa pour les exemples 1, 3 et 4, tandis qu'au maximum l'alliage selon l'exemple 9 présente une contrainte de rupture à 950°C pendant 1100h de 285 MPa. De plus, les alliages selon l'invention présentent une contrainte de rupture à 1050°C pendant 550h supérieure à 180 MPa, tandis qu'au maximum l'alliage selon l'exemple 9 présente une contrainte de rupture à 1050°C pendant 550h de 160 MPa. En outre, les alliages selon l'invention présentent une contrainte de rupture à 1200°C pendant 510h supérieure à 75 MPa, voire supérieure ou égale 80 MPa pour les exemples 1, 2 et 4, tandis qu'au maximum l'alliage selon l'exemple 5 présente une contrainte de rupture à 1200°C pendant 510h de 73 MPa. Ainsi, à 1200°C, les alliages selon l'invention possèdent ure contrainte à la rupture globalement 10% à 30% supérieure à la contrainte à la rupture des alliages des exemples 5 à 9.
  • 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 γ' à 900 °C, à 1050°C et à 1200°C, la fraction molaé, des phases topologiquement compactes (PTC) à 900°C et à 1050°C.
    • [Table 3]
  • Tableau 3
    Températures de transformation (°C) Fraction volumique de phase γ'(%mol) Fraction volumique de PTC (%mol)
    Alliages Solvus Solidus Liquidus 900°C 1050°C 1200°C 900°C 1050°C
    Ex 1 1292 1300 1400 54 41 18 2,4 0
    Ex 2 1287 1304 1400 53 39 17 1,8 0
    Ex 3 1296 1307 1400 54 40 19 1,8 0
    Ex 4 1286 1297 1399 52 39 17 2,7 0
    Ex 5 1305 1335 1392 47 47 29 0 0
    Ex 6 1269 1311 1385 45 45 23 0 0
    Ex 7 1307 1320 1398 53 52 34 0,4 0,5
    Ex 8 1284 1336 1400 44 44 24 0,03 0,03
    Ex 9 1371 1382 1400 58 58 46 0,01 0,13
  • Comme cela est illustré dans le tableau 3, la fraction molaire de phases topologiquement compactes, qui sont des phases fragilisantes, pour les superalliages des exemples 1 à 4 est faible à 900°C (<3%) et nulle à 1050°C, traduisant également une grande stabilité de la microstructure, ce qui est bénéfique pour 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 γ à 900°C, et l'activité de l'aluminium dans la phase γ à 1100°C. Les activités du chrome et de l'aluminium dans la matrice γ 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 4
    Activité du Cr dans phase γ Activité de l'Al dans phase γ
    Alliages 900°C 1100°C
    Ex 1 2,26E-3 9,22E-08
    Ex 2 2,12 E-3 8,43E-08
    Ex 3 2,12 E-3 7,90E-08
    Ex 4 2,57 E-3 9,66E-08
    Ex 5 3,10E-3 1,29E-07
    Ex 6 3,02E-3 1,27E-07
    Ex 7 1,50E-3 1,02E-07
    Ex 8 1,79E-3 1,47E-07
    Ex 9 5,21E-4 4,23E-08
  • Comme visible dans le tableau 4, les superalliages selon l'invention présentent une activité en chrome à 900°C du même ordre de grandeur que les superalliages des exemples 5 et 6 qui sont des superalliages reconnus pour avoir une résistance élevée à la corrosion. De plus, les superalliages selon l'invention présentent une activité en aluminium à 1100°C supérieure au superalliage selon l'exemple 9, assurant ainsi une résistance à l'oxydation satisfaisante.
  • Les propriétés données dans les tableaux 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.
  • De plus, le procédé de fabrication de la pièce peut comprendre une étape de dépôt d'un revêtement protecteur thermique sur la pièce en superalliage à base de nickel. Le dépôt du revêtement protecteur thermique est réalisé selon les étapes suivantes :
    • dépôt d'une couche de liaison sur la pièce en superalliage ;
    • dépôt d'une couche de barrière thermique sur la couche de liaison.
  • La couche de liaison est composée d'un matériau aluminoformeur, comme par exemple un alliage de type MCrAlY (avec M = Ni et/ou Co), ou bien d'un aluminure de nickel modifié platine. La couche de liaison a pour fonction de former une couche d'alumine qui assure une protection contre l'oxydation du superalliage sous-jacent.
  • La couche de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre 50µm et 100µm.
  • La couche de liaison peut être obtenue en déposant sur le superalliage une couche de platine, par exemple par électrodéposition ou par dépôt chimique en phase vapeur, une aluminisation à une température supérieure à 1000°C étant ensuite réalisée afin d'une part de déposer de l'aluminium sur la couche de platine, et d'autre part d'assurer un apport en nickel en provenance du superalliage dans la couche de liaison par diffusion.
  • La couche de liaison peut également être formée par dépôt d'une pluralité de couches élémentaires en platine, nickel et aluminium, par exemple par dépôt physique en phase vapeur, un traitement thermique étant ensuite réalisé afin d'assurer une réaction entre les métaux des couches déposées.
  • La couche de barrière thermique peut être une céramique, comme par exemple la zircone yttriée qui offre l'avantage de présenter une très faible conductivité thermique et un coefficient de dilation élevé.
  • La couche de barrière thermique peut être déposée par projection plasma, ou bien encore par dépôt physique en phase vapeur.
  • La couche de liaison peut avoir une épaisseur comprise entre 100µm et 200µm.
  • Le revêtement protecteur thermique permet, d'une part de limiter la température à laquelle est exposé le superalliage, et d'autre part de protéger le superalliage de l'oxygène de l'environnement dans lequel est située la pièce. Ainsi, le revêtement protecteur est avantageux pour les aubes de turbine qui sont des pièces exposées aux gaz de combustion.
  • 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, afin d'éviter l'apparition de germes nouveaux en avant du front de solidification.
  • La solidification dirigée peut notamment permettre la fabrication d'une pièce monocristalline dont la structure cristalline est orientée selon une direction cristallographique <001>, une telle orientation offrant de meilleures propriétés mécaniques.

Claims (13)

  1. Superalliage à base nickel comprenant, en pourcentages massiques, 4 à 6% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6 à 9% de chrome, 0,1 à 0,9% de hafnium, 2 à 4% de molybdène, 5 à 7% de rhénium, 5 à 7% de tantale, 2 à 5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  2. Superalliage selon la revendication 1, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, 0 à 0,1% de silicium, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  3. Superalliage selon la revendication 2, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  4. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 8% de cobalt, 6,5 à 8,5% de chrome, 0,2 à 0,5% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  5. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 3,5 à 4,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  6. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  7. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 5 à 7% de cobalt, 6,5 à 7,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  8. Superalliage selon la revendication 3, dans lequel ledit superalliage comprend, en pourcentages massiques, 4,5 à 5,5% d'aluminium, 6 à 8% de cobalt, 7,5 à 8,5% de chrome, 0,1 à 0,6% de hafnium, 2,5 à 3,5% de molybdène, 5,5 à 6,5% de rhénium, 5,5 à 6,5% de tantale, 2,5 à 3,5% de tungstène, le complément étant constitué de nickel et des impuretés inévitables.
  9. Pièce de turbomachine en super alliage à base de nickel selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Pièce selon la revendication 9, dans laquelle ladite pièce comprend un revêtement protecteur thermique formé d'une couche de liaison déposée sur le superalliage à base de nickel, et une couche de barrière thermique déposée sur la couche de liaison.
  11. Pièce selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans laquelle ladite pièce est monocristalline.
  12. 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.
  13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le procédé comprend le dépôt d'un revêtement protecteur thermique sur la pièce en superalliage à base de nickel selon les étapes suivantes :
    - dépôt d'une couche de liaison sur la pièce ;
    - dépôt d'une couche de barrière thermique sur la couche de liaison.
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