FR3094018A1 - Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee - Google Patents

Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee Download PDF

Info

Publication number
FR3094018A1
FR3094018A1 FR1902852A FR1902852A FR3094018A1 FR 3094018 A1 FR3094018 A1 FR 3094018A1 FR 1902852 A FR1902852 A FR 1902852A FR 1902852 A FR1902852 A FR 1902852A FR 3094018 A1 FR3094018 A1 FR 3094018A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
superalloy
cobalt
atomic percentages
iron
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1902852A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3094018B1 (fr
Inventor
Pierre Jean SALLOT
Clara DESGRANGES
Anne-Laure ROUFFIE
Jean-Philippe François COUZINIE
Guy DIRRAS
Ivan Georges GUILLOT
Jean-Marc Eric JOUBERT
Mathilde Madeleine Louise LAURENT
Loic PERRIERE
Thomas Philippe Joseph RIEGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Safran SA
Universite Paris Est Creteil Paris 12
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Safran SA
Universite Paris Est Creteil Paris 12
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Safran SA, Universite Paris Est Creteil Paris 12 filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to FR1902852A priority Critical patent/FR3094018B1/fr
Priority to PCT/FR2020/050540 priority patent/WO2020188205A2/fr
Priority to EP20726196.7A priority patent/EP3942082A2/fr
Priority to US17/437,730 priority patent/US11821060B2/en
Priority to CN202080023812.1A priority patent/CN113614260A/zh
Publication of FR3094018A1 publication Critical patent/FR3094018A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3094018B1 publication Critical patent/FR3094018B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/058Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium without Mo and W
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/056Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 10% but less than 20%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/051Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
    • C22C19/055Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/07Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C30/00Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/002Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17Alloys

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Superalliage à propriétés optimisées et densité limitée L’invention concerne de nouvelles compositions de superalliage ayant une densité limitée et présentant, à chaud, de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu’une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Superalliage à propriétés optimisées et densité limitée
L’invention concerne de nouvelles compositions de superalliage ayant une densité limitée et présentant, à chaud, de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu’une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion. L’invention concerne notamment l’application de tels superalliages pour former des pièces de turbomachine aéronautique.
Dans le cadre du développement des turbines aéronautiques de nouvelle génération, il est recherché des matériaux ayant une résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud (typiquement dans l’intervalle 800°C-1000°C) améliorée ainsi qu’une densité limitée.
Dans cette optique, des alliages dits à haute entropie (« High Entropy Alloy » ; « HEA ») ou des alliages concentrés complexes (« Complex Concentrated Alloys ») ont été développés. Des travaux ont, en particulier, été effectués pour identifier de nouveaux alliages présentant des précipités de phases durcissantes gamma-prime dans la matrice de l’alliage.
Il a toutefois été constaté que, lors d’une exposition à haute température, la microstructure de ces alliages peut être affectée dans la mesure où il peut y avoir apparition de particules de phases indésirables, à savoir de phases topologiquement compactes fragilisantes (« Topologically Close-Packed » ; « TCP »). L’apparition de ces phases peut conduire à un abaissement des propriétés mécaniques de l’alliage.
Il est donc souhaitable de disposer de nouvelles compositions d’alliage ayant une densité limitée et présentant, à chaud, de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu’une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion.
A cet effet, l’invention propose, selon un premier mode de réalisation, un superalliage à base de nickel comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 21% de chrome, 4% à 30% de cobalt, 4% à 10% d’aluminium, 4,5% à 10% de titane, 8% à 18% de fer, éventuellement du bore en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 0,5%, éventuellement du carbone en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 1%, éventuellement au moins un élément additionnel choisi parmi le molybdène, le tungstène, le tantale et le niobium, la teneur atomique totale du ou des élément(s) additionnel(s) étant inférieure ou égale à 1,5%, le complément étant constitué par du nickel et des impuretés inévitables, avec la somme des pourcentages atomiques d’aluminium et de titane comprise entre 8,5% et 15%.
L’invention propose, en outre, selon un deuxième mode de réalisation un superalliage à base de cobalt comprenant, en pourcentages atomiques, 9% à 20% de chrome, 22% à 36% de nickel, 4% à 10% d’aluminium, 4% à 10% de titane, 8% à 18% de fer, éventuellement du bore en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 0,5%, éventuellement du carbone en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 1%, éventuellement au moins un élément additionnel choisi parmi le molybdène, le tungstène, le tantale et le niobium, la teneur atomique totale du ou des élément(s) additionnel(s) étant inférieure ou égale à 1,5%, le complément étant constitué par du cobalt et des impuretés inévitables, avec la somme des pourcentages atomiques d’aluminium et de titane comprise entre 8% et 15%.
On entend par « superalliage à base de X », un superalliage dans lequel l’élément X est l’élément majoritaire en pourcentage atomique. L’élément X est donc l’élément dont le pourcentage atomique dans le superalliage est le plus élevé. Le pourcentage atomique de l’élément X dans le superalliage à base de X peut, mais n’est pas nécessairement, supérieur à 50%.
Les « impuretés inévitables » sont des éléments qui ne sont pas ajoutés de manière intentionnelle dans la composition et qui sont apportés avec d’autres éléments.
Les deux modes de réalisation décrits plus haut concernent tous deux des superalliages à haute entropie, de composition complexe ayant une matrice, dite phase gamma, dans laquelle sont présents des précipités de phases durcissantes de type gamma-prime (L12) en fraction volumique significative pour optimiser les propriétés mécaniques à haute température. Les fractions volumiques des précipités L12(notées « x(L12) ») vérifient de préférence les conditions suivantes :
- 50% ≥ x(L12) ≥ 40% à 800°C, et
- 30% ≥ x(L12) ≥ 20% à 1000°C.
En outre, les superalliages selon les deux modes de réalisation décrits plus haut présentent avantageusement une faible propension à former des phases topologiquement compactes fragilisantes. Dans ces superalliages, l’incorporation d’éléments choisis parmi le molybdène, le tungstène, le tantale et le niobium est minimisée (somme des teneurs de ces quatre éléments inférieure ou égale à 1,5% en pourcentages atomiques) afin de leur conférer une densité réduite. On notera toutefois que la présence contrôlée de ces derniers éléments peut être avantageuse afin de durcir davantage encore la matrice et les phases L12. Les superalliages décrits plus haut présentent en outre une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud.
Les propriétés avantageuses des superalliages décrits plus haut vont être reprises à travers la description qui va suivre indiquant l’apport de chacun des éléments d’alliage.
Le chrome confère au superalliage une bonne résistance à l’oxydation et à la corrosion à haute température, typiquement dans la plage de température comprise entre 800°C et 1000°C. Si la teneur en chrome est trop élevée, cela tend à réduire la température de solvus des phases gamma-prime, c’est-à-dire la température au-dessus de laquelle ces phases sont dissoutes dans la matrice gamma. Au-delà de la température de solvus, les phases gamma-prime sont dissoutes et ne participent plus à l’accroissement de dureté du superalliage. Le chrome doit donc être présent en une quantité suffisante pour apporter la résistance à l’oxydation et à la corrosion souhaitée mais sa quantité se doit aussi d’être limitée afin de conserver les précipités de phases gamma-prime, et donc l’accroissement de dureté du superalliage, sur une large plage de température. Le fait de limiter la teneur en chrome dans le superalliage présente en outre l’avantage de réduire la formation de phases topologiquement compactes fragilisantes avec le fer comme la phase sigma ou la phase B2.
Dans le cas du premier mode de réalisation relatif au superalliage à base de nickel, le cobalt permet de renforcer la matrice gamma et de réduire la sensibilité à la précipitation de phases topologiquement compactes fragilisantes. Le cobalt permet en outre de ralentir la diffusion des espèces favorisant ainsi la stabilité des précipités gamma-prime. Comme pour le chrome, la teneur en cobalt doit toutefois être limitée afin que la température de solvus des phases gamma-prime reste élevée.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation relatif au superalliage à base de cobalt, le nickel permet d’étendre le domaine d’existence de la phase gamma-prime et le solvus de cette phase. La teneur en nickel doit toutefois être limitée afin de conserver des phases gamma-prime dopées au cobalt et ne pas former la phase τ-Ti(Ni,Co)3à la température de service.
L’aluminium et le titane favorisent la précipitation de phases durcissantes gamma-prime qui présentent une composition comprise entre (Ni,Co)3(Al,Ti) et Co3Ti. Il faut toutefois que l’ajout d’aluminium et de titane soit effectué dans des proportions limitées afin que la matrice gamma occupe toujours une fraction notable du superalliage et éviter ainsi que les propriétés mécaniques à basse température ne soient négativement affectées.
Le fer permet de diminuer la densité du superalliage dans la mesure où cet élément présente une densité inférieure à celle du nickel ou du cobalt. Cela est particulièrement avantageux lorsque le superalliage est destiné à être utilisé dans le domaine aéronautique où le fait de pouvoir alléger la masse des pièces est particulièrement d’intérêt. Il faut toutefois limiter la proportion en fer afin de ne pas favoriser la formation d’oxydes de fer au détriment des oxydes de chrome, et conserver ainsi la résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud désirée.
D’autres éléments peuvent être présents dans le superalliage à titre optionnel et en quantité limitée, à savoir le bore ou le carbone si l’on recherche la formation de borures ou carbures afin de renforcer la tenue des joints de grains. Les impuretés inévitables peuvent, quant à elles, être présentes en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 1000 ppm.
La partie qui va suivre s’attache à décrire des caractéristiques préférentielles des compositions des superalliages.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation, le superalliage peut comprendre entre 13% et 21% de chrome en pourcentages atomiques.
Une telle teneur en chrome permet d’augmenter davantage encore la résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud.
Dans un exemple de réalisation, le superalliage comprend entre 4% et 8%, par exemple entre 4,5% et 8%, d’aluminium en pourcentages atomiques. Le superalliage peut comprendre entre 4,5% et 7,5%, par exemple entre 4,5% et 5,5%, d’aluminium en pourcentages atomiques.
De telles teneurs en aluminium participent à optimiser, dans leur ensemble, les propriétés mécaniques que présente l’alliage à chaud.
Dans un exemple de réalisation, le superalliage comprend entre 4,5% et 8%, de titane en pourcentages atomiques.
Une telle teneur en titane participe à optimiser, dans leur ensemble, les propriétés mécaniques que présente l’alliage à chaud.
Dans un exemple de réalisation, la somme des pourcentages atomiques d’aluminium et de titane est comprise entre 9% et 13%.
Une telle teneur participe à optimiser, dans leur ensemble, les propriétés mécaniques que présente l’alliage à chaud.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre entre 15% et 26% de cobalt en pourcentages atomiques. En particulier, le superalliage peut comprendre entre 15% et 22% de cobalt en pourcentages atomiques.
De telles teneurs en cobalt permettent d’optimiser le compromis entre stabilité des phases durcissantes gamma-prime et renfort de la matrice gamma apporté par le cobalt.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre entre 9% et 18% de fer en pourcentages atomiques. En particulier, le superalliage peut comprendre entre 13% et 18% de fer en pourcentages atomiques, par exemple entre 14% et 18% de fer en pourcentages atomiques, voire entre 15% et 18% de fer en pourcentages atomiques.
De telles teneurs en fer permettent d’optimiser le compromis entre réduction de la masse du superalliage et résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud.
Dans le cas du premier mode de réalisation, la somme des pourcentages atomiques de chrome et de fer peut être inférieure ou égale à 35%, par exemple comprise entre 20% et 34%.
Dans le cas du premier mode de réalisation, la différence entre le pourcentage atomique de nickel et le pourcentage atomique de cobalt (Ni-Co) peut être comprise entre 5% et 50%, par exemple entre 10% et 48%.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 13% à 21% de chrome, 4% à 30% de cobalt, 4% à 8% d’aluminium, 4,5% à 8% de titane et 8% à 18% de fer.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 13% à 17% de chrome, 16% à 23% de cobalt, 4% à 8% d’aluminium, 4,5% à 8% de titane et 15% à 18% de fer.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 16% à 17% de chrome, 16% à 17% de cobalt, 4,5% à 5,5% d’aluminium, 4,5% à 5,5% de titane et 16% à 17% de fer.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 13% à 14% de chrome, 21,5% à 22,5% de cobalt, 4,5% à 5,5% d’aluminium, 7% à 8% de titane et 17% à 18% de fer.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 13% à 21% de chrome, 24% à 26% de cobalt, 4% à 8% d’aluminium, 4,5% à 8% de titane et 8% à 11% de fer.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 19,5% à 20,5% de chrome, 24,5% à 25,5% de cobalt, 4,5% à 5,5% d’aluminium, 4,5% à 5,5% de titane et 9,5% à 10,5% de fer.
Dans le cas du premier mode de réalisation, le superalliage peut comprendre, en pourcentages atomiques, 13% à 14% de chrome, 24,5% à 25,5% de cobalt, 5% à 6% d’aluminium, 6,5% à 7,5% de titane et 8,5% à 9,5% de fer.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation, le superalliage peut comprendre entre 25% et 36% de nickel en pourcentages atomiques.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation, le superalliage peut comprendre entre 8% et 15% de fer en pourcentages atomiques.
Une telle teneur en fer permet d’optimiser le compromis entre réduction de la masse du superalliage et résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation, la somme des pourcentages atomiques de chrome et de fer peut être comprise entre 18% et 35%, par exemple entre 19% et 24%.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation, la différence entre le pourcentage atomique de cobalt et le pourcentage atomique de nickel (Co-Ni) peut être inférieure ou égale à 10%.
L’invention vise également une pièce de turbomachine comprenant un superalliage tel que décrit plus haut. La pièce de turbomachine peut être une pièce de turbomachine aéronautique. La pièce de turbomachine peut être choisie parmi : un disque de turbomachine, un carter de turbomachine, une aube mobile, une aube fixe, une partie d’une chambre de combustion, une partie d’une chambre de post-combustion, un secteur d’anneau de turbine, un inverseur de poussée ou un élément de fixation tel qu’un boulon.
L’invention vise également une turbomachine comprenant une pièce de turbomachine telle que décrite plus haut. La turbomachine peut être une turbomachine aéronautique.
On vient de décrire la structure et des applications possibles pour le superalliage selon l’invention. Le passage ci-dessous s’attache à décrire des détails de fabrication du superalliage selon l’invention.
Dans un premier temps, le superalliage de composition décrit plus haut est obtenu par un procédé classique comme la refusion à l’arc sous vide (« Vacuum Arc Remelting » ; « VAR ») ou la fusion sous vide par induction (« Vacuum Induction Melting » ; « VIM »). On peut encore obtenir une pièce du superalliage par forgeage, extrusion ou laminage. La pièce peut encore être obtenue à partir d’une poudre elle-même formée par pulvérisation d’un lingot du superalliage.
Dans un deuxième temps, la pièce brute de solidification ou de mise en forme est traitée thermiquement.
On peut ainsi réaliser un traitement thermique de la microstructure permettant de dissoudre les précipités de phases gamma-prime, d’éliminer les ségrégations ou, à défaut, de les réduire significativement. Ce traitement est réalisé à une température supérieure à la température de solvus des phases gamma-prime et inférieure à la température de fusion commençante du superalliage (Tsolidus). Ce traitement peut être réalisé à une température supérieure ou égale à 1100°C, par exemple comprise entre 1100°C et 1200°C.
Une trempe peut ensuite être réalisée après le traitement thermique afin d’obtenir une dispersion fine et homogène des précipités de phases gamma-prime. Le superalliage peut être refroidi jusqu’à une température de fin de trempe inférieure ou égale à 850°C, par exemple comprise entre 20°C et 850°C, durant le traitement de trempe.
Un traitement thermique de revenu peut ensuite être réalisé après la trempe à une température inférieure à la température de solvus des phases gamma-prime afin de figer la microstructure du superalliage. Le traitement thermique de revenu peut être réalisé à une température comprise entre 750°C et 1000°C. On obtient ainsi une microstructure stable dans laquelle les précipités de phases gamma-prime sont présents en une fraction significative.
On peut ensuite usiner la pièce obtenue afin d’ajuster ses dimensions.
La figure 1 est un ensemble de photographies qui montrent la microstructure de plusieurs exemples de superalliages selon l’invention.
La figure 2 est un résultat d’essai quantifiant les fractions volumiques occupées par les précipités gamma-prime à chaud pour plusieurs exemples de superalliages selon l’invention.
La figure 3 est un résultat d’essai quantifiant le rayon moyen des précipités gamma-prime à chaud pour plusieurs exemples de superalliages selon l’invention.
La figure 4 est un résultat d’essai quantifiant les densités expérimentales de plusieurs exemples de superalliages selon l’invention.
La figure 5 est un résultat d’analyse par calorimétrie différentielle à balayage (« Differential Scanning Calorimetry » ; « DSC ») menée sur plusieurs exemples de superalliages selon l’invention.
La figure 6 est un résultat d’essai comparant la compressibilité de plusieurs exemples de superalliages selon l’invention avec celle de superalliages commerciaux hors invention.
La figure 7 montre l’évolution de la dureté d’un exemple de superalliage selon l’invention au cours d’un recuit à 900°C.
Les inventeurs ont évalué les performances de plusieurs exemples de superalliages selon l’invention. Les différents essais qui ont été conduits vont être détaillés ci-dessous.
Les compositions évaluées sont détaillées dans le tableau 1 ci-dessous. Les teneurs des différents éléments sont indiquées en pourcentages atomiques.
Les alliages TA1-TA5 ont été soumis à un traitement thermique dans lequel on a imposé un premier palier à 1150°C durant 48 heures suivi d’un deuxième palier à 900°C pendant 403 heures. La figure 1 montre la microstructure des alliages TA1-TA5 évalués. On constate sur les photographies de la figure 1 la présence de précipités de phases gamma-prime dans chacun des alliages TA1-TA5.
Les alliages TA1-TA5 ont été soumis à un traitement thermique à 900°C pendant une durée de 403 heures. La fraction volumique des précipités de phases gamma-prime a été évaluée en utilisant la méthode suivante : seuillage automatisé de 20 images prises en microscopie électronique à balayage à un grossissement de x5000. La figure 2 quantifie les fractions volumiques occupées par les précipités gamma-prime pour les alliages TA1-TA5. On constate que les précipités de phases gamma-prime occupent une fraction volumique significative apportant ainsi le durcissement à chaud souhaité.
Le rayon moyen des précipités a aussi été évalué par la méthode suivante : seuillage d’images MEB pour obtenir environ 1500 précipités par composition, le rayon moyen est défini comme étant le rayon d’un disque de surface équivalente. Les résultats sont fournis à la figure 3. On constate l’obtention de précipités gamma-prime de taille relativement faible, et donc relativement stables. Quel que soit le mode de réalisation considéré, le rayon moyen des précipités gamma-prime peut être inférieur ou égal à 200 nm. On notera que cette taille des précipités reste stable même suite à l’exposition à de hautes températures. Il a, par ailleurs, été vérifié par mesures de constantes cinétiques d’oxydation que les superalliages selon l’invention se classent dans le domaine des chromino-formeurs en se protégeant par formation de couches protectrices d’oxyde de chrome Cr2O3.
Les densités expérimentales des alliages TA1-TA5 ont été quantifiées et les résultats obtenus sont fournis à la figure 4. On constate que les superalliages selon l’invention ont des densités limitées, toutes inférieures à 8,1 g/cm3.
La fenêtre de mise en solution des alliages TA1-TA5 a été évaluée par le biais d’une analyse par calorimétrie différentielle à balayage (voir figure 5). On constate que la température de solvus de chacun des alliages est relativement élevée et proche de 1100°C, indiquant ainsi la contribution effective de ces précipités à l’accroissement de la dureté à chaud sur une large plage de température.
La compressibilité des alliages a été évaluée à 900°C sur une machine Gleeble et comparée à celle de l’alliage commercial Inconel 718 hors invention (voir figure 6). Les superalliages selon l’invention présentent de bonnes propriétés mécaniques, supérieures à celles de l’alliage Inconel 718, tout en ayant une densité significativement plus faible.
La figure 7 illustre, quant à elle, l’évolution de la dureté, mesurée à 25°C, de l’alliage TA5 au cours d’un recuit à 900°C. La dureté de l’alliage demeure supérieure à 430 Hv même après plusieurs heures à haute température.
D’autres exemples de compositions d’alliages que celles indiquées dans le tableau 1 ci-dessus ont été identifiées comme préférentiels par les inventeurs, à savoir (compositions données en pourcentages atomiques) :
- TA6 : 40,4%Ni-25,2%Co-13,1%Cr-8,8%Fe-5,5%Al-7%Ti, et
- TA7 : 28%Ni-37,6%Co-13,1%Cr-8,8%Fe-4,5%Al-8%Ti.
L’expression « compris(e) entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (17)

  1. Superalliage à base de nickel comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 21% de chrome, 4% à 30% de cobalt, 4% à 10% d’aluminium, 4,5% à 10% de titane, 8% à 18% de fer, éventuellement du bore en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 0,5%, éventuellement du carbone en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 1%, éventuellement au moins un élément additionnel choisi parmi le molybdène, le tungstène, le tantale et le niobium, la teneur atomique totale du ou des élément(s) additionnel(s) étant inférieure ou égale à 1,5%, le complément étant constitué par du nickel et des impuretés inévitables, avec la somme des pourcentages atomiques d’aluminium et de titane comprise entre 8,5% et 15%.
  2. Superalliage à base de cobalt comprenant, en pourcentages atomiques, 9% à 20% de chrome, 22% à 36% de nickel, 4% à 10% d’aluminium, 4% à 10% de titane, 8% à 18% de fer, éventuellement du bore en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 0,5%, éventuellement du carbone en un pourcentage atomique inférieur ou égal à 1%, éventuellement au moins un élément additionnel choisi parmi le molybdène, le tungstène, le tantale et le niobium, la teneur atomique totale du ou des élément(s) additionnel(s) étant inférieure ou égale à 1,5%, le complément étant constitué par du cobalt et des impuretés inévitables, avec la somme des pourcentages atomiques d’aluminium et de titane comprise entre 8% et 15%.
  3. Superalliage selon la revendication 1 ou 2, comprenant entre 4,5% et 7,5% d’aluminium en pourcentages atomiques.
  4. Superalliage selon la revendication 1 ou selon la revendication 3 rattachée à la revendication 1, comprenant entre 15% et 26% de cobalt en pourcentages atomiques.
  5. Superalliage selon la revendication 4, comprenant entre 15% et 22% de cobalt en pourcentages atomiques.
  6. Superalliage selon la revendication 1 ou selon l’une quelconque des revendications 3 à 5 rattachées à la revendication 1, comprenant entre 13% et 18% de fer en pourcentages atomiques.
  7. Superalliage selon la revendication 1, comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 21% de chrome, 4% à 30% de cobalt, 4% à 8% d’aluminium, 4,5% à 8% de titane et 8% à 18% de fer.
  8. Superalliage selon la revendication 7, comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 17% de chrome, 16% à 23% de cobalt, 4% à 8% d’aluminium, 4,5% à 8% de titane et 15% à 18% de fer.
  9. Superalliage selon la revendication 8, comprenant, en pourcentages atomiques, 16% à 17% de chrome, 16% à 17% de cobalt, 4,5% à 5,5% d’aluminium, 4,5% à 5,5% de titane et 16% à 17% de fer.
  10. Superalliage selon la revendication 8, comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 14% de chrome, 21,5% à 22,5% de cobalt, 4,5% à 5,5% d’aluminium, 7% à 8% de titane et 17% à 18% de fer.
  11. Superalliage selon la revendication 7, comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 21% de chrome, 24% à 26% de cobalt, 4% à 8% d’aluminium, 4,5% à 8% de titane et 8% à 11% de fer.
  12. Superalliage selon la revendication 11, comprenant, en pourcentages atomiques, 19,5% à 20,5% de chrome, 24,5% à 25,5% de cobalt, 4,5% à 5,5% d’aluminium, 4,5% à 5,5% de titane et 9,5% à 10,5% de fer.
  13. Superalliage selon la revendication 11, comprenant, en pourcentages atomiques, 13% à 14% de chrome, 24,5% à 25,5% de cobalt, 5% à 6% d’aluminium, 6,5% à 7,5% de titane et 8,5% à 9,5% de fer.
  14. Superalliage selon la revendication 2 ou selon la revendication 3 rattachée à la revendication 2, comprenant entre 25% et 36% de nickel en pourcentages atomiques.
  15. Superalliage selon la revendication 2 ou selon l’une quelconque des revendications 3 ou 14 rattachées à la revendication 2, comprenant entre 8% et 15% de fer en pourcentages atomiques.
  16. Pièce de turbomachine comprenant un superalliage selon l’une quelconque des revendications 1 à 15.
  17. Turbomachine comprenant une pièce de turbomachine selon la revendication 16.
FR1902852A 2019-03-20 2019-03-20 Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee Active FR3094018B1 (fr)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1902852A FR3094018B1 (fr) 2019-03-20 2019-03-20 Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee
PCT/FR2020/050540 WO2020188205A2 (fr) 2019-03-20 2020-03-13 Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee
EP20726196.7A EP3942082A2 (fr) 2019-03-20 2020-03-13 Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee
US17/437,730 US11821060B2 (en) 2019-03-20 2020-03-13 Superalloy with optimized properties and a limited density
CN202080023812.1A CN113614260A (zh) 2019-03-20 2020-03-13 具有优化性能和有限密度的超合金

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1902852A FR3094018B1 (fr) 2019-03-20 2019-03-20 Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee
FR1902852 2019-03-20

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3094018A1 true FR3094018A1 (fr) 2020-09-25
FR3094018B1 FR3094018B1 (fr) 2022-02-04

Family

ID=67875535

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1902852A Active FR3094018B1 (fr) 2019-03-20 2019-03-20 Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11821060B2 (fr)
EP (1) EP3942082A2 (fr)
CN (1) CN113614260A (fr)
FR (1) FR3094018B1 (fr)
WO (1) WO2020188205A2 (fr)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113249630A (zh) * 2021-02-24 2021-08-13 马鞍山锲恒精密组件科技有限公司 一种高熵合金的锻压工艺
CN114086049B (zh) * 2021-11-17 2022-08-23 沈阳航空航天大学 2.0GPa级超高屈服强度塑性CoCrNi基中熵合金及其制备方法
CN116287818B (zh) * 2023-03-24 2024-04-30 西北有色金属研究院 一种高强塑性的AlCoCrFeNiTi系高熵合金及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5169463A (en) * 1987-10-19 1992-12-08 Sps Technologies, Inc. Alloys containing gamma prime phase and particles and process for forming same
EP3263722A1 (fr) * 2016-06-30 2018-01-03 General Electric Company Procédés de préparation d'articles en superalliage et articles associés
JP2018145456A (ja) * 2017-03-02 2018-09-20 株式会社日立製作所 合金部材、該合金部材の製造方法、および該合金部材を用いた製造物
WO2019018038A2 (fr) * 2017-04-21 2019-01-24 Crs Holdings, Inc. Superalliage à base de cobalt-nickel à durcissement par précipitation et article fabriqué à partir de celui-ci

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030111138A1 (en) 2001-12-18 2003-06-19 Cetel Alan D. High strength hot corrosion and oxidation resistant, directionally solidified nickel base superalloy and articles
WO2015012888A1 (fr) 2013-07-23 2015-01-29 General Electric Company Superalliages et composants formés à partir de ceux-ci

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5169463A (en) * 1987-10-19 1992-12-08 Sps Technologies, Inc. Alloys containing gamma prime phase and particles and process for forming same
EP3263722A1 (fr) * 2016-06-30 2018-01-03 General Electric Company Procédés de préparation d'articles en superalliage et articles associés
JP2018145456A (ja) * 2017-03-02 2018-09-20 株式会社日立製作所 合金部材、該合金部材の製造方法、および該合金部材を用いた製造物
WO2019018038A2 (fr) * 2017-04-21 2019-01-24 Crs Holdings, Inc. Superalliage à base de cobalt-nickel à durcissement par précipitation et article fabriqué à partir de celui-ci

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020188205A2 (fr) 2020-09-24
CN113614260A (zh) 2021-11-05
US11821060B2 (en) 2023-11-21
WO2020188205A3 (fr) 2020-11-12
FR3094018B1 (fr) 2022-02-04
US20220145428A1 (en) 2022-05-12
EP3942082A2 (fr) 2022-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2020188205A2 (fr) Superalliage a proprietes optimisees et densite limitee
CA2771739C (fr) Superalliage base nickel et pieces realisees en ce superalliage
FR3085967A1 (fr) Superalliages a base de nickel
EP1840232A1 (fr) Alliage à base de nickel
JPWO2006059805A1 (ja) 耐熱超合金
WO2010089516A2 (fr) Procede de fabrication d'une piece en superalliage a base de nickel, et piece ainsi obtenue
FR2461016A1 (fr) Article de superalliage de nickel a structure monocristalline et procede de fabrication
EP0237378A1 (fr) Superalliage à matrice à base de nickel notamment élaboré en métallurgie des poudres et disque de turbomachine constitué en cet alliage
FR2633942A1 (fr) Superalliage a base de nickel resistant aux pendillements par fatigue et son procede de fabrication
EP4073283A1 (fr) Superalliage a base de nickel
EP1211335B1 (fr) Superalliage à base de nickel à résistance très élevée à la corrosion à chaud pour aubes monocristallines de turbines industrielles
FR3027921A1 (fr) Alliages a base de titane presentant des proprietes mecaniques ameliorees
EP0187573B1 (fr) Alliage à base de nickel
FR2646171A1 (fr) Superalliages contenant du titane et procede pour ameliorer les proprietes de resistance mecanique a haute temperature d'un superalliage a base de nickel contenant du niobium
EP3911773B1 (fr) Superalliage a base de nickel a faible densite et avec une tenue mecanique et environnementale elevee a haute temperature
FR3027922A1 (fr) Procedes pour transformer des alliages ferritiques nanostructures, et articles fabriques de cette facon
FR3003875A1 (fr) Alliage renforce par une dispersion d'oxyde martensitique ayant des proprietes ameliorees de resistance et de fluage a haute temperature, et procede de sa fabrication
FR3133623A1 (fr) Superalliage à base de nickel
FR2513269A1 (fr) Composition et traitement thermique pour alliage destine a des moulages monocristallins
WO2020157406A1 (fr) Superalliage a base de nickel a tenue mecanique et environnementale elevee a haute temperature et a faible densite
EP1297192B1 (fr) Compositions d'acier, procede pour son obtention et pieces fabriquees a partir de ces compositions
WO2023111456A1 (fr) Alliage à base de nickel comprenant du tantale
WO2023111457A1 (fr) Alliage à base de nickel
FR3091709A1 (fr) Superalliage à base de nickel à tenue mécanique élevée à haute température
FR2739870A1 (fr) Alliage refractaire, tenace et soudable

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20200925

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 6