Superalliages - L’Élémentarium

Produit minéral

Les superalliages sont des alliages résistant mécaniquement et chimiquement à haute température. Ils sont à la base du développement des turboréacteurs utilisés en aéronautique.

Ils sont constitués par :

Principalement une matrice austénitique gamma dans laquelle Ni peut être substitué par Co, Cr, Mo, W, ainsi que par Nb, Al, Ti, Ta.
Des précipités intermétalliques ordonnés gamma’ : Ni₃(Ti,Al) ou gamma » : Ni₃Nb qui occupent de 30 à 70 % du volume et dont les dimensions varient entre 10 nm et quelques micromètres.
Des carbures primaires (de type MC) et secondaires (de type M₂₃C₆), précipités préférentiellement aux joints de grains.

Différents types

A base de fer-nickel-chrome, à base de nickel (les plus utilisés), à base de cobalt.

Exemples de compositions : % en masse.

	Type	Fe	Cr	Ni	Co	Mo	W	Nb	Ti	Al	Ta
Base fer	A 286	55	15	26		<1,2			1,9	0,3
Base nickel	N 18		11,5	57	11,5	6,5	4,7		4,3	4,3
Base nickel	CMS X2		8	66	4,6	0,6	7,9		0,9	5,6	5,8
Base cobalt	S 816	4	20	20	44	4	4	4

Fabrication industrielle

Par métallurgie sous vide par fusion au four à induction (VIM) suivie souvent par une fusion au four à arc à électrode consommable (VAR).

Solidification orientée : les superalliages utilisés pour élaborer les aubes de turbines (tournant à 15 000 tours/min) subissent des contraintes importantes dans une direction privilégiée (force centrifuge) qui entraînent des ruptures aux joints de grains. Afin de remédier à cette fragilité intergranulaire, les aubes peuvent être obtenues sous forme monocristalline par solidification orientée. Les vitesses de tirage sont de l’ordre de 25 cm/heure.

Métallurgie des poudres : les températures actuellement atteintes dans la chambre de combustion des réacteurs (1800°C dans le réacteur M88 du Rafale) entraînent des températures de 600-700°C sur les disques de turbine. Ces températures nécessitent l’utilisation de superalliages à base de Ni contenant des quantités de plus en plus importantes de métaux réfractaires (Ta, Mo, W) qui ne peuvent être obtenus que par métallurgie des poudres, par exemple pour l’alliage N 18 développé par la SNECMA pour le réacteur du Rafale.

Utilisations

L’amélioration du rendement des turbines aéronautiques est liée à l’accroissement de la température d’entrée de la turbine (TET). L’accroissement moyen de la TET depuis 1970 a été d’environ 15°C/an, la contribution relative aux matériaux étant d’environ 7°C/an.

Les superalliages constituent plus de 50 % de la masse des moteurs aéronautiques. Ils sont présents dans :

Les disques de compresseurs et de turbines, et certains arbres, dont les températures de fonctionnement atteignent 650°C.
Les aubes dont la température est portée à 1000°C.
La chambre de combustion où la température peut atteindre 1500-1800°C.