SUPERALLIAGES POUR TURBINE : ALLIAGES POUR AUBES ET POUR DISQUES

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1 SUPERALLIAGES POUR TURBINE : ALLIAGES POUR AUBES ET POUR DISQUES Pierre CARON DMMP/MHT ONERA

2 Applications des des superalliages développés à l ONERA Disques de compresseur et de turbine HP élaborés par métallurgie des poudres (MdP) Aubes et distributeurs de turbine HP élaborés par solidification monocristalline M88-2 RAFALE in 2003 GEDEPEON Perpignan 19 & 20 ju ARRIUS 2-B2 Aubes monocristallines de turbine HP pour hélicoptères

3 Coupe du du moteur Pratt & Whitney PW4000

4 Sollicitations thermiques et et mécaniques dans un un disque de de turbine

5 Avantages de de la la métallurgie des des poudres par par rapport à la la voie voie coulé-forgé Réduction des ségrégations chimiques Homogénéité microstructurale Réduction de la taille de grains Économie de matière Haute limite élastique Résistance élevée à la fatigue Résistance à la propagation de fissures 10 µm

6 Métallurgie des des poudres à l ONERA Coulée d un lingot d alliage mère par fusion sous vide Pulvérisation du lingot par fusion à l arc d une électrode tournante Consolidation des poudres par filage ou par compactage isostatique à chaud Forgeage isotherme

7 Développement du du superalliage N18 N18 pour pour disques MdP MdP à l ONERA* * En collaboration avec SNECMA, le Centre des Matériaux de l ENSMP et IMPHY SA. APPLICATIONS : disque de compresseur et de turbine HP du M88 OBJECTIF : caractéristiques mécaniques à celles de l ASTROLOY DEMARCHE : - Définition, élaboration et caractérisation d alliages expérimentaux à l échelle laboratoire. - Choix de cinq nuances pour élaboration et caractérisation à l échelle semi-industrielle. - Choix de la nuance N18 et optimisation du procédé industriel d élaboration et de traitements thermiques. PROCEDE INDUSTRIEL RETENU (DISQUE Φ = 480 mm) - Coulée mère, TECPHY - Atomisation par gaz, TECPHY - Filage de billettes Φ= 230 mm, TECPHY - Forgeage isotherme, SNECMA GENNEVILLIERS OU WYMAN GORDON - Traitement thermique sub-solvus γ : taille de grains = 7 à 15 µm.

8 Caractéristiques mécaniques du du superalliage N18 N18 Vitesse de propagation de fissure lors d une essai de fatigue-fluage à 650 C (f = 0,5Hz; palier = 300 s) Contrainte pour une déformation en fluage de 0,2% en 100 heures

9 Développement des des superalliages NR3 NR3 et et NR6 NR6 pour pour disques MdP MdP ** * En collaboration avec SNECMA. OBJECTIF : Amélioration de la résistance au fluage et à la propagation de fissures par rapport à N18, à T 700 C DEMARCHE : - Choix d un traitement final super-solvus γ pour obtention de gros grains ( 50 µm). - Optimisation de la chimie pour assurer la stabilité microstructurale vis-à-vis de la précipitation de phases intermétalliques indésirables, car fragilisantes (σ, µ, etc..). RESULTATS : Alloy Ni Co Cr Mo W Al Ti Nb C B Zr Hf N18 Bal NR6 Bal NR3 Bal Astroloy Bal

10 Optimisation de de la la microstructure vis-à-vis de de la la résistance au au fluage du du NR3 NR3 à grains fins fins nm nm Distribution optimisée de précipités secondaires et tertiaires de phase γ dans l alliage NR3 à grains fins) (1175 C/4h (A.C. at 100 C.mn -1 )+ 750 C/4h) Creep Strain (% C/4h 700 C/24h C/4h 650 C/4h 750 C/4h Time (h) Comportement en fluage à 700 C/700 MPa de l alliage NR3 à grains fins : influence de la procédure de revenu après homogénéisation à 1175 C.

11 Études en en cours sur sur les les alliages pour pour disques Rôle du glissement au joints de grains dans la déformation en fluage à haute température Influence de la microstructure γ/γ sur les mécanismes élémentaires de déformation en fluage Élaboration et caractérisation d assemblages bi-matériaux/bi-structuraux Développement d alliages à haute résistance mécanique jusqu à 650 C

12 Sollicitations thermiques et et mécaniques dans une une aube de de turbine PALE T de 800 à 1100 C (localement) σ moyenne modérée/σ locale élevée (perçages, perturbateurs) gradients thermiques importants Fatigue oligocyclique anisotherme (d'origine thermique/mécanique Fluage PIED T de 600 à 700 C σ locale élevée, d'origine mécanique (Kt = 2 à 2,5) Fatigue oligocyclique isotherme dans une zone à concentration de contrainte (prise en compte des effets d'anisotropie)

13 Avantages de de la la structure «monocristalline» Absence de joints de grains Aptitude à l homogénéisation microstructurale Direction de croissance <001> Très bonne résistance au fluage et à la fatigue thermique à haute température Grains équiaxes Grains colonnaires Monocristal

14 Solidification dirigée en en fonderie à la la cire cire perdue

15 Solidification monocristalline à l ONERA Fabrication d un lingot d alliage-mère par fusion sous vide (jusqu à 5 kg) Coulée de lingotins cylindriques (Φ = 8 à 12 mm) Refusion et solidification sur germe de barreaux monocristallins dans un four à gradient thermique type Bridgman (G = 10 ou 40 C.cm -1 ; V = 1 à 72 cm.h -1 )

16 Développement du du superalliage AM1 AM1 pour pour aubes monocristallines* * En collaboration avec SNECMA, le Centre des Matériaux de l ENSMP et IMPHY SA. APPLICATIONS : aubes fixes et mobiles de turbine HP du M88 OBJECTIF : caractéristiques mécaniques à celles des superalliages monocristallins de 1ère génération CMSX-2, René N4, PWA RESULTAT : Alloy Ni Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb Hf d (g.cm -3 ) AM1 Bal CMSX-2 Bal PWA1480 Bal René N4 Bal Aube de turbine HP Lingots AM1 produits par Aubert & Duval ou HOWMET Corp. du M88 Fonderie des aubes monocristalline par SNECMA Gennevilliers Procédés d usinage, de brasage, de revêtement et de réparation développés par Snecma Moteurs Gennevilliers.

17 Résistance au au fluage du du superalliage monocristallin AM1 AM1

18 Fatigue thermique au au banc à flamme (Résultats SNECMA) Cyclage thermique entre 200 et 1100 C Éprouvette prismatique "coin"

19 Autres développements de de superalliages monocristallins à l ONERA AM3 : Superalliage à faible densité pour aubes mobiles ARRIUS 2 et ARRIEL 2 TURBOMECA (brevets ONERA, ) MC2 : Superalliage à haute résistance en fluage (brevet commun SNECMA- ONERA-EMP-TECPHY, 1983) : - qualifié pour les moteurs TURBOMECA à puissance augmentée; - choisi pour la turbine industrielle Mitsubishi Heavy Industries MF-111 MC-NG : Superalliage pour applications à hautes températures, objectifs SNECMA et TURBOMECA (brevet ONERA,1998) SC16 : Superalliages pour turbines terrestres (brevet ONERA, 1989) SCA et SCB : Superalliages pour turbines terrestres (brevets ONERA- ALSTOM-TURBOMECA-HOWMET-EDF-HMI, 2000) THYMONEL 8 : Alliage pour turbopompes de moteurs cryotechniques de fusées à faible sensibilité à la F.P.H. (brevet SEP-ONERA, 1992)

20 SCA SCA et et SCB, superalliages monocristallins pour pour aubes de de turbines terrestres Projet Brite Euram avec ALSTOM (GB) TURBOMECA (F) HOWMET (GB) EDF (F) - HMI (D) OBJECTIFS : - Gain de 50 C sur la température de fonctionnement d alliages conventionnels tels que IN738LC, avec une résistance équivalente à la corrosion en milieu industriel. - Bonne aptitude à la fonderie de pièces de grandes dimensions. DEMARCHE : -Teneur élevée en chrome (12 à 16%pds) pour une bonne résistance à la corrosion à chaud. - Optimisation des teneurs en éléments γ -gènes et en éléments durcisseurs en solution solide pour une bonne résistance au fluage de très longue durée - Pas d addition de rhénium pour conserver un coût raisonnable et une bonne aptitude à la fonderie monocristalline GT24 Alstom Power IGT Turbomeca IGT

21 Essais de de corrosion dans la la cendre à 800 C (ALSTOM) Average depth of attack (microns) IN738LC IN939 SCA Time (hours)

22 Fluage rupture 1000 CM186LC DS Stress (MPa) SCA <001> IN6203DS IN792 SC16 <001> Larson-Miller parameter.

23 Études en en cours sur sur les les superalliages pour pour aubes Étude des comportements en traction et en fluage, et des mécanismes de déformation élémentaires Étude des phénomènes d instabilité microstructurale : colonies cellulaires aux sous-joints et zones de réaction secondaire sous les revêtements Développement et caractérisation d alliages tolérants aux défauts de fonderie (ajouts de C, B, Zr, Hf..) 5 µm