Les alliages de nickel sont classés en fonction de leur composition, de leurs propriétés et des applications. Les principaux types comprennent:
Alliages nickel-fer: Contenir 30 à 70% de nickel avec du fer comme élément secondaire, souvent avec des ajouts comme le chrome, le molybdène ou le cuivre. Les exemples incluent l'INVAR (64% de Ni, 36% Fe), connu pour une faible extension thermique et le permalloy (78% de Ni, 22% FE), utilisé dans les applications magnétiques.
Alliages nickel-cuivre: Généralement composé de 60 à 70% de nickel et de cuivre de 20 à 30%, avec des éléments mineurs comme le fer ou le manganèse. Monel 400 (67% Ni, 30% Cu) est un excellent exemple, évalué à la résistance à la corrosion dans les environnements marins et chimiques.
Alliages de chrome nickel: Comprend un chrome élevé (10–30%) pour la résistance à l'oxydation, avec le nickel comme base. Inconel 600 (76% Ni, 16% Cr, 8% FE) est largement utilisé dans des contextes à haute température comme les fours et les échangeurs de chaleur.
Alliages nickel-molybdène: Riche en molybdène (15 à 30%) pour résister à la corrosion par les acides (par exemple, l'acide chlorhydrique). Hastelloy B-2 (62% Ni, 28% MO) est un exemple clé, utilisé dans le traitement chimique.
Alliages de nickel-chrome-molybdène: Combinez le chrome et le molybdène pour une oxydation équilibrée et une résistance à la corrosion. Hastelloy C-276 (57% Ni, 16% Cr, 16% Mo) excelle dans des environnements difficiles comme les solutions riches en chlorure.
Alliages de nickel-titane (alliages de mémoire de forme): Comme le nitinol (55% de Ni, 45% Ti), qui présentent des effets de mémoire de forme et une superrélasticité, utilisés dans les dispositifs médicaux (stents) et les composants aérospatiaux.
Superalliages en nickel: Alliages haute performance avec nickel comme base (30–70%), améliorés par des éléments comme le chrome, le cobalt, l'aluminium et le titane pour une résistance extrême à haute température. Les exemples incluent Inconel 718 et les alliages monocristallins comme CMSX-4.
Les propriétés magnétiques des superalliages en nickel dépendent de leur composition, en particulier de la teneur en nickel et des éléments d'alliage.
Le nickel lui-même est ferromagnétique(attiré par les aimants) à température ambiante. Cependant, de nombreux superalliages en nickel sontnon magnétique ou faiblement magnétiqueEn raison des ajouts d'alliage qui perturbent l'ordre ferromagnétique.
Par exemple:
Inconel 718, contenant ~ 52% de Ni avec le chrome, le niobium et le molybdène, est généralement non magnétique dans son état recuit ou vieilli.
Alloys with higher nickel content (e.g., >80%) peut conserver le ferromagnétisme faible, mais cela est rare dans les superalliages, où le chrome et d'autres éléments suppriment souvent le comportement magnétique.
La principale raison est que des éléments comme le chrome, le molybdène et le cobalt peuvent réduire la température de curie ferromagnétique du nickel, ce qui rend les alliages non magnétiques à température ambiante. Cette propriété est avantageuse dans les applications aérospatiales et électriques où les interférences magnétiques doivent être minimisées.
Les carbures sont des précipités importants dans les superalliages en nickel, formés par le carbone réagissant avec des métaux réfractaires. Ils améliorent la résistance à haute température, la résistance au fluage et la stabilité des limites des grains. Les carbures communs comprennent:
Carbures MC: Carbures cubiques avec une structure de type NaCl, où "M" représente des métaux comme le titane (tic), le tantale (TAC), le niobium (NBC) ou le hafnium (HFC). Ceux-ci se forment pendant la solidification et se trouvent souvent sous forme de particules discrètes, renforçant la matrice et inhibant la croissance des grains.
Carbures m₂₃c₆: Carbures complexes (par exemple, cr₂₃c₆, (cr, mo) ₂₃c₆) qui précipitent aux frontières des grains. Ils améliorent la résistance aux limites des grains, réduisant les fissures intergranulaires sous une contrainte à haute température. Le chrome est le métal primaire en m₂₃c₆, avec du molybdène ou du tungstène substituant dans certains cas.
Carbures m₆c: Carbures hexagonaux ou cubiques (par exemple, (mo, w, ni) ₆c) qui se forment à des températures intermédiaires. Ils se trouvent souvent dans les alliages riches en molybdène ou en tungstène (par exemple, Hastelloy X) et contribuent à la résistance au fluage en épinglant des dislocations.
Carbures m₇c₃: Moins commun mais observés dans certains alliages, ces carbures (par exemple, cr₇c₃) peuvent se former pendant le traitement thermique et peuvent se transformer en m₂₃c₆ à des températures plus élevées.
La distribution et le type de carbures sont contrôlés par traitement thermique, garantissant des propriétés mécaniques optimales pour un service à haute température.
Les superalliages à base de nickel ont une conductivité thermique relativement faible par rapport aux métaux comme le cuivre ou l'aluminium, une propriété qui équilibre la rétention de chaleur et l'intégrité structurelle dans les applications à haute température.
Valeurs typiques: La conductivité thermique va de10 à 25 w / (m · k)À température ambiante, diminuant légèrement à des températures élevées. Par exemple:
Inconel 718: ~ 11 W / (M · K) à 20 degrés, ~ 16 W / (M · K) à 800 degrés.
CMSX-4 (superalliage monocristallin): ~ 12 W / (M · K) à 20 degrés, ~ 18 W / (M · K) à 1 000 degrés.
Hastelloy X: ~ 14 W / (M · K) à 20 degrés, ~ 20 W / (M · K) à 800 degrés.
Facteurs influençant la conductivité: Les éléments d'alliage (par exemple, le molybdène et le tungstène réduisent la conductivité), les caractéristiques microstructurales (par exemple, précipite les phonons de diffusion, la baisse du transport thermique) et la température (la conductivité augmente légèrement avec la température due à un mouvement de phonon accru).
Signification ingénieuse: La faible conductivité thermique aide à conserver la chaleur dans les sections chaudes de turbines à gaz, à réduire les gradients thermiques et à améliorer l'efficacité. Il minimise également le transfert de chaleur vers des composants plus frais, les protégeant de la surchauffe.
Les superalliages à base de nickel sont essentiels en aérospatiale en raison de leur capacité à résister à des températures extrêmes, à une contrainte mécanique et à une corrosion. Les alliages clés et leurs applications comprennent:
Inconel 718:
Composition: ~ 52% Ni, 19% CR, 18,5% FE, 5% NB, 3% MO, 1% TI, 0,6% AL.
Applications: Disques de turbine, lames et les boîtes dans les moteurs à réaction (par exemple, les turbines à basse pression) et les moteurs de fusée. Son excellente soudabilité et sa haute résistance à 650–700 degrés le rendent polyvalent pour les composants structurels.
Inconel 625:
Composition: ~ 61% Ni, 21,5% CR, 9% MO, 3,6% NB, 2,5% Fe.
Applications: Chambres de combustion, systèmes d'échappement et conduits. Sa résistance à l'oxydation supérieure (jusqu'à 1 093 degrés) et sa résistance à la corrosion ont un costume dur des environnements moteurs.
Guérison:
Composition: ~ 58% Ni, 19% CR, 13% CO, 4,3% MO, 3% Ti, 1,4% al.
Applications: Disques et lames de turbine à haute pression dans les moteurs à réaction militaires et commerciaux. Il offre une excellente résistance au fluage à 760–815 degrés.
Superalliages monocristallins (par exemple, CMSX-4, PWA 1484):
Composition: ~ 60–65% Ni, 10–20% Cr, 5–10% CO, 5–8% AL, 5–10% W, avec des ajouts TA, Ti ou Re.
Applications: Les lames de turbine à haute pression dans les moteurs à réaction avancés (par exemple, Boeing 787, Airbus A350). Leur structure monocristallière élimine les joints de grains, réduisant considérablement le fluage et améliorant la résistance à 1 000 à 1 100 degrés.
Haynes 282:
Composition: ~ 57% Ni, 20% CR, 10% CO, 8,5% MO, 2,1% Ti, 1,5% al.
Applications: Disques de turbine et boîtiers dans les moteurs de nouvelle génération. Il combine une résistance à haute température avec une fabrication améliorée par rapport aux alliages plus anciens.
Ces alliages permettent aux moteurs aérospatiaux de fonctionner à des températures plus élevées, augmentant l'efficacité énergétique et la poussée tout en assurant une fiabilité à long terme.
