Le traitement thermique est un processus pivot pour les superalliages, sur mesure pour améliorer leurs propriétés mécaniques telles que la résistance, la résistance au fluage, la durabilité de la fatigue et la stabilité microstructurale, en particulier dans des conditions extrêmement à haute température et à forte stress. Les procédures spécifiques varient en fonction de la composition de l'alliage (à base de nickel, à base de cobalt ou à base de fer) et son application prévue, mais les techniques clés incluent:
Recuit de solution
Cette étape consiste à chauffer le superalliage à une température élevée (généralement 900 à 1250 degrés, selon l'alliage) pour dissoudre les précipités intermétalliques (par exemple, «ou carbures) et obtenir une solution solide uniforme et homogène. Le refroidissement rapide (trempe dans l'eau, l'huile ou l'air forcé) suit pour «geler» cette microstructure, empêchant les précipités grossiers de se réformer. Le recuit de solution améliore la ductilité et prépare l'alliage pour le renforcement ultérieur via le durcissement des précipitations. Par exemple:
Inconel 718 à base de nickel est recouvert de solution à ~ 980 degrés pour dissoudre "(ni₃nb) précipite, garantissant une matrice sursaturée.
Haynes 25 à base de cobalt subit un recuit de solution à ~ 1150 degré pour homogénéiser sa distribution de chrome et de tungstène.
Vieillissement (durcissement des précipitations)
Après recuit de solution, le vieillissement implique le chauffage de l'alliage à une température plus basse (600–850 degrés) pendant de longues périodes (d'heures à jours) pour induire la formation de précipités intermétalliques fines et uniformément dispersés. Ces précipités (par exemple, '-ni₃ (al, ti) dans les alliages ou les phases de lave à base de nickel dans certains alliages à base de cobalt) agissent comme des obstacles au mouvement de luxation, augmentant considérablement la résistance. De nombreux superalliages utilisent un vieillissement en plusieurs étapes pour des résultats optimaux:
Inconel 718 utilise un processus de vieillissement en deux étapes: 720 degrés pendant 8 heures (refroidis par le four à 620 degrés) + 620 pendant 8 heures, refroidi par air, pour former des "précipités denses.
René 95, un alliage à base de nickel à haute résistance, est âgé de 870 degrés pour 1 heure + 650 pendant 24 heures pour équilibrer la résistance et la résistance au fluage.
Pressage isostatique chaud (hanche)
La hanche combine une température élevée (jusqu'à 1200 degrés) et une haute pression (100–200 MPa) dans un gaz inerte (par exemple, argon) pour éliminer la porosité interne, réduire les vides et homogénéiser les microstructures. Il est particulièrement critique pour les superalliages Cast ou Powder-métallurgie, tels que CMSX-4 (un alliage à base de nickel monocristallien), améliorant la vie de la fatigue et réduisant les défaillances liées aux défauts dans les lames de turbine.
Recuit de soulagement du stress
Effectué après l'usinage, le soudage ou la formation, ce processus chauffe l'alliage à 500 à 800 degrés pour soulager les contraintes résiduelles sans modifier la microstructure primaire. Il empêche la fissuration pendant le service, essentiel pour des composants comme les buses de fusée ou les pièces de réacteur nucléaire.
Optimisation de la taille des grains
Les traitements thermiques peuvent contrôler la taille des grains pour équilibrer les propriétés: les grains fins améliorent la résistance à la traction à basse température, tandis que les grains plus grossiers améliorent la résistance au fluage à des températures élevées. Par exemple:
Les disques de turbine (soumis à une contrainte de rotation élevée) utilisent des superalliages à grains fins (par exemple, UDIMET 720) via un refroidissement contrôlé pendant le recuit.
Les lames de turbine (exposées à une chaleur extrême) utilisent souvent des superalliages à grain grossier ou monocristalliers (par exemple, PWA 1480) pour maximiser la résistance au fluage.
La définition du superalliage "le plus fort" est complexe car la résistance dépend du contexte: température, type de contrainte (traction, fluage, fatigue) et conditions environnementales (corrosion, oxydation) jouent tous des rôles. Cependant, plusieurs superalliages se distinguent pour une force exceptionnelle dans des scénarios spécifiques:
Grx-810
Un superalliage à base de nickel imprimé en 3D développé par la NASA, GRX-810, présente une force et une durabilité extraordinaires. Il est deux fois plus fort que les superalliages imprimés en 3D de pointe (par exemple, Inconel 718) à des températures élevées (~ 1093 degrés) et plus de 1 000 fois plus résistantes au fluage (déformation lente sous contrainte constante). Sa force résulte d'une microstructure unique de précipités et d'oxydes à l'échelle nanométrique, ce qui le rend idéal pour les véhicules hypersoniques et les moteurs de fusée.
René 95
Un superalliage à base de nickel largement utilisé dans l'aérospatiale, René 95, offre une résistance à la traction exceptionnelle (jusqu'à 1 600 MPa à température ambiante) et une résistance au fluage à des températures élevées. Sa force provient d'un réseau dense de précipités, ce qui en fait un choix de haut niveau pour les composants à forte stress comme les disques de turbine.
Alliage 718plus
Une version avancée de Inconel 718, 718Plus remplace "les précipités par des phases plus stables, augmentant la résistance à des températures plus élevées (jusqu'à 700 degrés). Il maintient des résistances à la traction dépassant 1 300 MPa tout en offrant une résistance à la fluage améliorée, adaptée aux moteurs de turbine à gaz de nouvelle génération.
Alloys à base de cobalt (par exemple, Haynes 188)
Bien que généralement moins forte que les alliages à base de nickel à température ambiante, les superalliages à base de cobalt comme Haynes 188 excellent dans une résistance à haute température et une résistance à l'oxydation (jusqu'à 1 100 degrés). Leur force est dérivée du renforcement de la solution solide par le tungstène et le chrome, ce qui les rend essentiels aux chambres de combustion de moteurs à réaction.
Grx-810est souvent cité comme le plus fort en termes de résistance à haute température et de résistance au fluage, tandis que René 95 et 718Plus dominent dans la température ambiante et la résistance à la traction à température élevée modérée. L'étiquette "la plus forte" dépend finalement des critères de performance spécifiques requis.
