SUPERALLIAGES POUR TURBINE - gedeon.prd.fr juin 2003/exposes... · APPLICATIONS : disque de...

GROUPEMENT DE RECHERCHECEA - CNRS –EDF - FRAMATOME

SUPERALLIAGES POUR TURBINE : ALLIAGES POUR AUBES ET POUR DISQUES

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Pierre CARON

DMMP/MHT

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Applications des superalliages développés à l’ONERAApplications des superalliages développés à l’ONERA

M88-2 RAFALE

• Disques de compresseur et de turbine HP élaborés par métallurgie des poudres (MdP)• Aubes et distributeurs de turbine HP élaborés par solidification monocristalline

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ARRIUS 2-B2

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Aubes monocristallines de turbine HP pour hélicoptères


Coupe du moteur Pratt & Whitney PW4000Coupe du moteur Pratt & Whitney PW4000

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

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Avantages de la métallurgie des poudres par rapport à la voie coulé-forgéAvantages de la métallurgie des poudres par rapport à la 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

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10 µm


Métallurgie des poudres à l’ONERAMétallurgie 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

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Développement du superalliage N18 pour disques MdP à l’ONERA*Développement du superalliage N18 pour disques 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.G

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Caractéristiques mécaniques du superalliage N18Caractéristiques mécaniques du superalliage N18

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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


Développement des superalliages NR3 et NR6 pour disques MdP *Développement des superalliages NR3 et NR6 pour disques 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. 15.7 11.5 6.5 - 4.35 4.35 - 0.015 0.015 0.03 0.5 NR6 Bal. 15.1 13.8 2.1 4 3.2 4.5 - 0.02 0.01 0.05 0.3 NR3 Bal. 14.7 12.3 3.5 - 3.8 5.5 - 0.02 0.01 0.05 0.3 Astroloy Bal. 16.6 14.6 5.0 - 4.0 3.5 - 0.028 0.028 0.06 -

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Optimisation de la microstructure vis-à-vis de la résistance au fluagedu NR3 à grains fins

Optimisation de la microstructure vis-à-vis de la résistance au fluagedu NR3 à grains fins

0

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0 200 400 600 800 1000Time (h)

Cre

ep S

trai

n (% 850°C/4h

700°C/24h+ 800°C/4h

650°C/4h750°C/4h

100 nm100 nm100 nm100 nm100 nm100 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)

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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.


Études en cours sur les alliages pour disquesÉtudes en cours sur les alliages 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

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Sollicitations thermiques et mécaniques dans une aube de turbineSollicitations thermiques et mécaniques dans une aube 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'originethermique/mécaniqueFluage

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)

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Avantages de la structure « monocristalline »Avantages de la structure « monocristalline »

Absence de joints de grainsAptitude à l’homogénéisation microstructuraleDirection de croissance <001>

Très bonne résistance au fluageet à la fatigue thermique à hautetempérature

Grains équiaxes Grainscolonnaires Monocristal

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

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Solidification monocristalline à l’ONERASolidification 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)

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Développement du superalliage AM1 pour aubes monocristallines*Développement du superalliage AM1 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 1480.

RESULTAT :

• Lingots AM1 produits par Aubert & Duval ou HOWMET Corp.• Fonderie des aubes monocristalline par SNECMA Gennevilliers• Procédés d’usinage, de brasage, de revêtement et de réparation développés par

Snecma Moteurs Gennevilliers.

Alloy Ni Cr Co Mo W Al Ti Ta Nb Hf d (g.cm-3)AM1 Bal. 7.8 6.5 2 5.7 5.2 1.1 7.9 - - 8.60 CMSX-2 Bal. 8 4.6 0.6 8 5.6 1 6 - - 8.56 PWA1480 Bal. 10 5 - 4 5 1.5 12 - - 8.70 René N4 Bal. 9.75 7.5 1.5 6 4.2 3.5 4.8 0.5 0.15 8.56

Aube de turbine HP du M88

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Résistance au fluage du superalliage monocristallin AM1Résistance au fluage du superalliage monocristallin AM1

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Fatigue thermique au banc à flamme (Résultats SNECMA)Fatigue thermique au banc à flamme (Résultats SNECMA)

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Éprouvette prismatique"coin"

Cyclage thermique entre 200 et 1100°C


Autres développements de superalliages monocristallins à l’ONERAAutres développements de superalliages monocristallins à l’ONERA

AM3 : Superalliage à faible densité pour aubes mobiles ARRIUS 2 et ARRIEL 2 TURBOMECA (brevets ONERA, 1983-86)

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)

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SCA et SCB, superalliages monocristallins pour aubes de turbines terrestresSCA et SCB, superalliages monocristallins pour aubes 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

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3 GT24 Alstom Power IGT

Turbomeca IGT


Essais de corrosion dans la cendre à 800°C (ALSTOM)

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0 250 500 750 1000 1250Time (hours)

Ave

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IN939

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Essais de corrosion dans la cendre à 800°C (ALSTOM)

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Fluage ruptureFluage rupture

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20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30Larson-Miller parameter.

Stre

ss (M

Pa)

CM186LC DS

SCA <001>

SC16 <001>

IN792

IN6203DS

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Études en cours sur les superalliages pour aubesÉtudes en cours sur les superalliages 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

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