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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 165 − 1 Traitements thermiques des superalliages par Claude MONS Chef du service Études Métallurgiques des Pièces au Département Matériaux et Procédés de SNECMA es traitements thermiques des superalliages interviennent à tous les stades de mise en œuvre, depuis l’élaboration des demi-produits jusqu’à la livraison des pièces ﬁnies. Ils conditionnent de façon évidente la qualité du produit ﬁni, les propriétés mécaniques des matériaux et, en grande partie, l’homogénéité des résultats obtenus. Il est d’usage de considérer que les traitements effectués en amont des fabri- cations propres de pièces, tels que les homogénéisations de composition chimique, à haute température et en longue durée ou les préchauffes avant mise en forme, ne sont pas à proprement parler des traitements thermiques. Ils conditionnent cependant la qualité du matériau initial à la production de pièces et, particulièrement, la réponse locale du matériau aux traitements thermiques proprement dits, participant à la capacité à respecter les objectifs de propriétés et la distribution statistique de celles-ci. La réalisation de séquences de déformation à des niveaux de température particuliers suivies ou non de refroidissements contrôlés permet, par ailleurs, d’obtenir des microstructures à très hautes caractéristiques, par recristallisations successives. Ces méthodes, décrites sous l’appellation de traitements thermo- mécaniques, ne font pas l’objet de cet article. Elles sont particulièrement bien étudiées dans les cas des structures à grains ﬁns obtenues ou non par métallurgie des poudres, mise en œuvre par ﬁlage et forgeage isotherme. Les traitements thermiques proprement dits s’effectuent sans déformation et correspondent 1. Superalliages............................................................................................. M 1 165 - 2 1.1 Alliages de nickel ou de fer-nickel.............................................................. — 2 1.1.1 Description générale .......................................................................... — 2 1.1.2 Modes de durcissement..................................................................... — 2 1.1.3 Mise en solution ................................................................................. — 3 1.1.4 Traitements de précipitation (revenus)............................................. — 6 1.1.5 Composition chimique et traitements thermiques usuels de quelques superalliages à base de nickel ou de fer .......................... — 7 1.2 Alliages de cobalt ........................................................................................ — 9 1.2.1 Description générale .......................................................................... — 9 1.2.2 Traitements de recuit et de précipitation/stabilisation .................... — 9 1.2.3 Composition chimique et traitements thermiques usuels de quelques superalliages à base de cobalt.......................................... — 9 2. Traitements d’adoucissement et de relaxation des contraintes — 10 2.1 Traitements d’adoucissement .................................................................... — 10 2.2 Traitements de relaxation des contraintes ................................................ — 10 3. Aspects pratiques.................................................................................... — 10 3.1 Fours. Tolérances......................................................................................... — 10 3.2 Atmosphères................................................................................................ — 10 3.3 Chauffage ..................................................................................................... — 11 3.4 Modes de refroidissement.......................................................................... — 11 4. Perspectives d’évolution des traitements thermiques ................. — 11 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 1 165 L TRAITEMENTS THERMIQUES DES SUPERALLIAGES ___________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. M 1 165 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques d’une part aux mises en solution, stabilisation ou précipitation qui vont permettre d’adapter la microstructure initiale et de déterminer les propriétés en service et, d’autre part, aux traitements d’adoucissement et de relaxation des contraintes liées au forgeage, au soudage, à l’usinage, etc. Un ensemble cohérent de ces traitements permettra de garantir le compor- tement des pièces réalisées. 1. Superalliages 1.1 Alliages de nickel ou de fer-nickel 1.1.1 Description générale Le lecteur pourra se reporter aux références [1] [2] de la biblio- graphie. Les superalliages sont des matériaux métalliques combinant de hautes caractéristiques mécaniques dans un large domaine de tem- pératures et une excellente tenue à la corrosion et/ou à l’oxydation. Leur structure métallurgique est composée de plusieurs phases dont les deux premières sont les principales : — une matrice austénitique γ cubique à face centrée, stable dans le cas des alliages fer/nickel pour une teneur supérieure à 25 % de Ni ; — une phase durcissante intermétallique ordonnée [Ni3(Ti, Al)] ou [Ni3Nb] représentant 30 à 70 % de fraction volumique, de car- bures primaires le plus souvent de type MC (ou parfois M6C), répartis aléatoirement, et secondaires M23C6 , situés préférentiellement aux joints de grains. Des borures s’ajoutent ou se substituent quelquefois au M23C6 ; — des phases secondaires TPC (Topologically Compact Phases ) sous forme d’aiguilles ou de plaquettes, telles que les phases σ, δ ou de Laves, fragiles et généralement nocives ; — des oxydes fins dispersés dans le cas particulier des alliages à dispersion d’oxydes. Les traitements thermiques seront organisés pour favoriser l’état métastable de structure biphasée. 1.1.2 Modes de durcissement Les superalliages sont renforcés selon trois mécanismes utili- sables séparément mais groupés dans la majorité des cas. I Durcissement par précipitation de phase ordonnée relativement stable C’est le mode de durcissement majeur de ces alliages. La taille, la morphologie et la répartition des précipités pour une fraction volumique donnée vont conditionner les propriétés, parti- culièrement la limite d’élasticité, le durcissement par écrouissage, la rupture, la tenue en fatigue et la vitesse de ﬁssuration, mais aussi le ﬂuage. Les microstructures sont obtenues par le choix des niveaux de température de traitement par rapport à la température seuil de mise en solution (solvus ), de la vitesse de refroidissement en début de trempe et l’organisation des niveaux de température et de la durée des traitements de précipitation. Les conditions de précipitation de Ni3Al dans le cas simple de l’alliage Ni-Al découlent du diagramme d’équilibre (ﬁgure 1) établi de 1937 à 1954 en particulier par Taylor. Les précipités , sphériques dans les superalliages peu chargés en éléments d’addition à l’origine de ces matériaux, sont cubiques dans les alliages les plus chargés en éléments durcissants lors des premières phases de précipitation à haute température. I Précipitation des carbures et borures Les carbures et borures primaires précipités en ﬁn de la solidiﬁ- cation sont généralement insensibles aux traitements thermiques sans risque de brûlure, c’est-à-dire de fusion locale de la matrice plus ou moins enrichie en éléments d’alliage qui les entoure. La précipitation de carbures secondaires ou de borures est surtout recherchée aux joints de grains pour en améliorer l’ancrage. Ces pré- cipités doivent être assez grossiers tout en étant discontinus, avec une distribution relativement homogène. ′ ″ ′ ou ″ ′ Figure 1 – Diagramme d’équilibre Ni-Al ′ ___________________________________________________________________________________________ TRAITEMENTS THERMIQUES DES SUPERALLIAGES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 165 − 3 I Durcissement par effet de solution solide Le durcissement est obtenu dans ce cas par distorsion du réseau cristallin par substitution au nickel d’atomes lourds de grand dia- mètre présentant de faibles vitesses de diffusion comme le tungstène ou le molybdène. Le carbone en solution solide interstitielle peut aussi y participer. I Diagrammes TTT (Température -Temps -Transformation) Ces diagrammes donnent une image des domaines de transfor- mation des matériaux et sont une aide précieuse à l’établissement des traitements thermiques. Ils sont cependant très longs et coû- teux à établir et leur cohérence dépend des méthodes d’investiga- tion utilisées (principalement micrographie et dilatométrie). Un des diagrammes les mieux établis est celui de l’Inconel 718 (ﬁgure 5) présenté pour la première fois par Eiselstein [4], puis complété par plusieurs auteurs dont Boesch et Canada [5], Cozar et Pineau [6], etc. Ce diagramme donne une idée précise du domaine de précipita- tion des phases intermétalliques γ ’, et δ, ainsi que des carbures au sein de l’alliage. Il se lit en suivant une isotherme fournissant pour une température et un temps donnés le domaine d’existence des précipités. Il pourra en association avec des courbes TRC (Transformation en Refroidissement Continu) et des ATD (Analyse Thermique Différen- tielle) être une aide précieuse à la déﬁnition des traitements thermiques. 1.1.3 Mise en solution L’objectif de ces traitements thermiques est de mettre en solution la phase durcissante γ ’ (ou ) précipitée parfois de façon incon- trôlable en ﬁn de forgeage, aﬁn d’obtenir, lors du revenu, une pré- cipitation répondant aux critères morphologiques et de distribution les plus efﬁcaces, en regard des objectifs souhaités en terme de pro- priétés d’usage. Ils exercent principalement leur inﬂuence sur la taille des grains et la répartition de la phase durcissante. 1.1.3.1 Mises en solution subsolvus et supersolvus, phase La mise en solution de la phase γ ’ peut s’effectuer de façon plus ou moins complète en jouant sur la température et la durée du traitement. Les temps métallurgiques (temps de maintien de la partie de pièce, généralement la plus à cœur, se stabilisant thermiquement en dernier ) de mise en solution varient de 30 min à quelques heures pour les alliages les plus chargés en éléments durcissants. Deux familles de traitement de mise en solution sont couramment utilisées : — mise en solution subsolvus (partielle) à des températures géné- ralement situées entre 50 oC sous le solvus et le solvus γ ’ primaire ; — mise en solution supersolvus (complète) à des températures généralement situées entre le solvus γ ’ primaire et le brûlure de l’alliage. I Le traitement subsolvus a pour but de conserver des tailles de grains très ﬁnes de l’ordre de 10 ASTM (11 µm) obtenues au cours du uploads/Sante/ m1165-pdf.pdf