Brevet FR2780983A1 — publié le 20000114

DESCRIPTION SUPERALLIAGE MONOCRISTALLIN A BASE DE NICKEL A RESISTANCE ACCRUE A HAUTE TEMPERATURE L'invention concerne des compositions de superalliages à base de nickel, utilisables en fonderie monocristalline, notamment pour des applications aéronautiques telles que des aubes de turbine à haute pression. Ces applications imposent des conditions sévères d'utilisation, notamment à de hautes températures o des propriétés mécaniques à chaud sont demandées et dans le cas des aubes de turbine, une bonne résistance mécanique avec une tenue au fluage à hautes températures o une bonne stabilité du superalliage doit en outre être conservée. De nombreuses familles de superalliages ont été mises au point en vue de répondre à ces besoins. Ainsi EP 0 149 942 A décrit un alliage monocristallin à haute résistance au fluage à matrice à base de nickel dont la composition en poids est définie par les teneurs Co 5 à 8%; Cr 6,5 à 10%; Mo 0,5 à 2,5 %; W 5 à 9%; Ta 6 à 9 %; Al 4,5 à 5,8%; Ti 1 à 2%; Nb O à 1,5%; C, Zr, B chacun inférieur à 100ppm et Ni complément à 100 avec les conditions supplémentaires, la somme des pourcentages pondéraux de Ta + Mo + 1/2 W est comprise entre 11,3 % et 13,5 %, la somme des pourcentages atomiques de Ti + Al + Nb est comprise entre 15, 54 % et 17 %, la somme des pourcentages atomiques Ta + Nb + Mo + 1/2 W est comprise entre 4 et 5,5 %, la somme des pourcentages atomiques Ti + Al + Ta + Nb + Mo + 1/2 W est comprise entre 17,5 et 19% et la somme des pourcentages atomiques Ti + Al est comprise entre 12,8 et 14,5%. D'autres mises au point ont abouti à des compositions de superalliage comportant des ajouts de rhénium. A titre d'exemple on citera notamment US 5 270 123, EP 0 434 996 A, US 4 878 965, EP 0 208 645 A et GB-A-2 235 697. Par rapport aux solutions connues, le but de l'invention est de proposer une nouvelle famille de superalliages du type précité, de densité ne dépassant pas 8,7 présentant des caractéristiques d'utilisation avantageuses, particulièrement grâce à une amélioration de la résistance mécanique au-delà de 900 C tout en conservant une bonne stabilité du superalliage à haute température. Ce but est atteint conformément à l'invention par des superalliages présentant la composition suivante, en pourcentages pondéraux: Cr 4,5 à 6% Co O à 10% Mo 1 à 3% W 4,5 à 7,5% Ta 3,5 à 7% Ti 0,5 à 2% Nb 0 à 2% Al 5 à 5,6% Ru 0 à 3% Hf O à 0,2% Si O à 0,2% Re 2 à 3,5% Y O à 0,05% S O à lOppm avec par ailleurs la somme des pourcentages atomiques Al+ Ti+Ta+Nb comprise entre 15 et 16% et la somme des pourcentages atomiques Mo+W+Re+Ru comprise entre 4,2 et 4,8% L'invention sera mieux comprise et les avantages précisés à l'aide de la description qui va suivre de la justification des principaux choix de composition et des exemples de réalisation, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 représente les courbes comparatives établies à partir des résultats d'essais de fluage à 300 heures avec 3 2780983 allongement de 1% pour un superalliage conforme à l'invention et des superalliages connus antérieurs, selon un diagramme o sont reportées en ordonnées les contraintes en Ma et en abscisses les températures en degrés C; - la figure 2 représente les courbes comparatives établies à partir des résultats d'essais de fluage à la rupture pour un superalliage conforme à l'invention et des superalliages connus antérieurs, selon un diagramme o sont reportées en ordonnées les contraintes en Ma et en abscisses les températures en degrés C. SPECIFICATIONS en Cr, Mo, W, Re, Ru Le chrome présent dans la phase gamma du superalliage joue un rôle essentiel pour sa résistance aux effets de l'environnement à haute température. La teneur pondérale optimisée du chrome se situe entre 4,5 et 6%. Les éléments Mo, W, Re et Ru permettent de durcir l'alliage, c'est à dire d'améliorer la résistance au fluage à toutes températures. Les teneurs sont cependant limitées par l'optimisation du rapport de contrainte admissible sur densité qui conduit à limiter la densité à 8,7. Une autre limitation est fournie par la recherche des conditions de stabilité métallurgique et microstructurale du superalliage. Une fourchette de la somme des teneurs en pourcentages atomiques Mo+W+Re+ Ru a été déterminée comprise entre 4,2 % et 4,8%. Dans ce domaine, la teneur massique en molybdène retenue est comprise entre 1% et 3%, en tungstène entre 4,5 et 7,5%, en ruthénium entre 0 et 3%. L'influence du rhénium est déterminante, comme le montrent les résultats d'essais décrits ci-après, sur l'amélioration de la résistance mécanique du superalliage au-delà de 900 C et particulièrement de 950 C à 1050 C en tenue au fluage. La teneur massique en rhénium retenue est comprise entre 2% et 3,5%. SPECIFICATIONS en Al, Ti, Ta, Nb, Hf. La fraction volumique de phase gamma-prime dans un superalliage est un paramètre important pour l'obtention des propriétés visées par l'invention. La présence de cette phase précipitée est fonction de la teneur en éléments gamme-prime- gènes Al, Ti, Ta, Nb. La fourchette de la somme des teneurs en pourcentages atomiques Al+Ti+Ta+Nb a été déterminée comprise entre 15% et 16%. Dans ce domaine, la teneur massique en aluminium retenue est comprise entre 5% et 5,6%, en titane entre 0,5% et 2%, en tantale entre 3,5 et 7% et en niobium entre 0 et 2%. AUTRES SPECIFICATIONS Le cobalt peut avoir une influence favorable pour la résistance en fluage mais sa teneur a cependant été limitée pour éviter une influence défavorable par rapport à celle du nickel sur la stabilité microstructurale du superalliage. La teneur retenue en pourcentage massique se situe entre 0 et %. D'autres éléments peuvent être présents dans le superalliage mais des limites maximales de teneurs massiques ont été fixées à 0,22 pour Hf, 0,2 pour Si, 0,05% pour Y et 10ppm pour S. Le tableau I ci-après donne les compositions en pourcentages pondéraux des superalliages connus antérieurs A, B, C, D, F et des superalliages conformes à l'invention AE3 et AE3b. 2780983 A B C D F AE3 AE3b Ni 64 65 62 57 68 63 67 Cr 7,5 8 6 4,7 2,3 5,6 5,5 Co 6,5 5 9 12,5 3,2 8,08 4 Mo 2 2 0,6 1,4 0,4 2,2 2,2 Ta 8 6 7 7,21 8,3 3,9 4 W 5,5 8 6 5,98 5,5 7,3 7 Ti 1,2 1,5 1 0 0,31 1,1 1 A1 5,3 5 5,6 5,75 5,73 5,55 5,4 Hf 0,1 0,1 0,15 0,03 Re 3 5, 39 6,3 2,49 3 Nb 0 0,1 1 1 Ru 0 0 0 0 d 8,59 8,63 8,7 8,91 9,1 8,68 8,70 TABLEAU X Les superalliages A et B sont conformes à EP-A-0 149 942. Le superalliage C est connu sous la désignation commerciale CMSX4 et est conforme à EP-A-0 155 827. Le superalliage D est connu sous la désignation commerciale R'N6 et est conforme à US 5.455.120. Le superalliage F est connu sous la désignation commerciale CMSX10 et est conforme à WO 94/00611. Le tableau II ci-après récapitule les résultats obtenus lors des essais de fluage aux températures de 760 C, 950 C, 1050 C, 1100 C et 1150 C en donnant les contraintes appliquées en MPa et les temps en heures obtenus 6 2780983 respectivement pour un allongement de 1% et à rupture, pour le superalliage connu A et pour le superalliage AE3 conforme à l'invention: Température Contrainte Temps-heures Temps- heure degrés C MPa 1% allongement rupture A AE3 A AE3 760 840 12 1,2 200 230 950 300 40 110 160 250 1050 150 200 320 260 340 1100 130 20 200 70 210 1150 100 42 27 46 TABLEAU II Les courbes A, B, C et AE3 de la figure 1 montrent en outre les résultats obtenus en essais au fluage à 300 heures avec allongement de 1% respectivement pour les superalliages connus A, B et C et pour le superalliage AE3 conforme à l'invention et dont les compositions sont indiquées sur le tableau I. De manière analogue, les courbes A, C, D, F et AE3 de la figure 2 montrent les résultats obtenus en essais de fluage à rupture à 300 heures pour les superalliages connus A, C, D, et F et pour le superalliage AE3 conforme à l'invention et dont les compositions sont indiquées sur le tableau I. En fluage avec allongement de 1%, on relève sur la figure 1 par exemple, un gain de 25 à 50 C, pour une utilisation au- delà de 900 C montrant l'amélioration de la résistance mécanique d'un superalliage AE3 conforme à l'invention, par rapport à un superalliage connu A couramment utilisé pour la fabrication d'aubes de turbine destinées à des turboréacteurs 7 2780983 à hautes performances. Cette amélioration est tout à fait remarquable car les performances obtenues dans une plage de températures situées entre 950 C et 1100 C qui correspondent à des conditions d'utilisation importantes pour les applications aéronautiques sont supérieures aux performances du superalliage C rappelé ci-dessus et qui comporte 3 % de rhénium. REVEND I CATIONS 1. Superalliage monocristallin à matrice à base de nickel présentant une haute résistance au fluage et une bonne stabilité microstructurale, de densité ne dépassant pas 8,7 caractérisé en ce que la composition chimique en pourcentages pondéraux appartient au domaine suivant: Cr 4,5 à 6 Co 0 à 10 Mo 1 à 3 W 4,5 à 7,5 Ta 3,5 à 7 Ti 0,5 à 2 Nb 0 à 2 Al 5 à 5,6 Ru 0 à 3 Hf 0 à 0,2 Si 0 à 0,2 Re 2 à 3,5 Y 0 à 0,05 S 0 à lOppm et Ni complément à 100 que la somme des pourcentages atomiques Al+Ti+Ta+Nb est comprise entre 15 et 16% et la somme des pourcentages atomiques Mo+W+Re+Ru est comprise entre 4,2 et 4,8%. 2. Superalliage selon la revendication 1 présentant la composition suivante, en pourcentages pondéraux: Cr 5,5; Co4; Mo 2,2; W 7; Ta 4; Ti 1; Nb 1; Al 5,4; Re 2,7 Hf inférieur à 0,1; Si inférieur à 0,1; Y inférieur à 0,03; S inférieur à 1 ppm et Ni complément à 100, dans 9 2780983 laquelle la somme des pourcentages atomiques Al+Ti+Ta+Nb vaut ,45% et la somme des pourcentages atomiques Mo+W+Re+Ru vaut 4,60%/ 3. Superalliage selon la revendication 1 présentant la composition suivante, en pourcentages pondéraux: Cr 5,5; Co 8; Mo 2,2; W 7; Ta 4; Ti 1; Nb 1; Ai 5,4; Re 2,7; Hf inférieur à 0,1; Si inférieur à 0,1; Y inférieur à 0,03; S inférieur à 1 ppm et Ni complément à , dans laquelle la somme des pourcentages atomiques Al + Ti + Ta + Nb vaut 15,45 % et la somme des pourcentages atomiques Mo + W + Re + Ru vaut 4,60 %.