Brevet FR3107081A1 — publié le 20210813

Pièce de turbomachine en superalliage à teneur en hafnium optimisée L’invention concerne une pièce de turbomachine (20) comprenant un superalliage base nickel (21) comprenant en teneur massique 5,0 % à 8,0 % de cobalt, 6,5 % à 10 % de chrome, 0,5 % à 2,5 % de molybdène, 5,0 % à 9,0 % de tungstène, 6,0 % à 9,0 % de tantale, 4,5 % à 5,8 % d’aluminium, de l’hafnium en une teneur massique comprise entre 500 ppm et 1100 ppm, et comprenant éventuellement du niobium en une teneur massique inférieure ou égale à 1,5 %, et éventuellement l’un au moins du carbone, du zirconium et du bore chacun en une teneur massique inférieure ou égale à 100 ppm, le complément étant composé par du nickel et des impuretés inévitables. Figure pour l’abrégé: Fig. 1 Pièce de turbomachine en superalliage à teneur en hafnium optimisée La présente invention concerne le domaine des superalliages à base nickel et plus précisément les superalliages utilisés dans le domaine aéronautique. Les superalliages à base nickel sont connus pour avoir d’une part une résistance mécanique élevée même à haute température, et d’autre part une bonne résistance à l’oxydation. Pour ces deux propriétés, ils représentent un matériau de choix pour les pièces de turbomachines utilisées dans le domaine aéronautique. Parmi les superalliages à base nickel connus, on peut notamment citer l’alliage de dénomination commerciale AM-1 correspondant à la composition décrite dans le document US 4,639,280. Il est souhaitable d’optimiser la résistance de ces alliages à l’oxydation. A ce titre, il est du mérite des inventeurs d’être parvenu à optimiser la composition d’une pièce de turbomachine afin d’obtenir des propriétés de résistances à l’oxydation améliorées. Pour cela, les inventeurs proposent une pièce de turbomachine comprenant un superalliage base nickel comprenant en teneur massique 5,0 % à 8,0 % de cobalt, 6,5 % à 10 % de chrome, 0,5 % à 2,5 % de molybdène, 5,0 % à 9,0 % de tungstène, 6,0 % à 9,0 % de tantale, 4,5 % à 5,8 % d’aluminium, de l’hafnium en une teneur massique comprise entre 500 ppm et 1100 ppm, et comprenant éventuellement du niobium en une teneur massique inférieure ou égale à 1,5 %, et éventuellement l’un au moins du carbone, du zirconium et du bore chacun en une teneur massique inférieure ou égale à 100 ppm, le complément étant composé par du nickel et des impuretés inévitables. L’invention propose une pièce de turbomachine comprenant un alliage de composition proche de l’AM-1 mais avec un taux d’hafnium optimisé, de sorte à présenter une meilleure résistance à l’oxydation. Les inventeurs ont constaté qu’une telle pièce présente une résistance à l’oxydation particulièrement élevée. Sans vouloir être liés par la théorie, les inventeurs considèrent que lorsque la teneur en hafnium est trop faible, peu d’oxydation de Hf se produit et l’oxyde HfO 2 ne remplit pas le rôle de structure d’ancrage de la couche d’oxyde à la surface du superalliage. De même, si la teneur en hafnium est trop faible, l’hafnium ne bloque pas suffisamment la diffusion des cations vers l’extérieur ce qui empêche la formation des couches protectrices d’oxydes tel l’α-Al 2 O 3 . Pour des teneurs en hafnium au-delà de 1100 ppm, on peut avoir formation d’oxydes d’hafnium HfO 2 trop volumineux et diminution de la ténacité d’interface oxyde/métal, ce qui nuit au rôle protecteur de l’oxyde. Dans un mode de réalisation, la teneur massique en hafnium du substrat peut être comprise entre 670 ppm et 780 ppm. Les inventeurs ont constaté que cette teneur en hafnium permettait d’obtenir une pièce avec la meilleure résistance à l’oxydation. De plus, les inventeurs ont constaté qu’une pièce dont la teneur en hafnium est optimisée a de bonnes propriétés mécaniques, proches de celle d’une pièce en AM1, et peut donc être utilisée dans les mêmes applications de pièces moteur que l’AM1. Il est possible mettre en forme une pièce de l’invention par les procédés de mise en forme de l’art antérieur, déjà applicables à des pièces en AM1. En particulier, la teneur optimisée en hafnium proposée ne nuit pas à la faisabilité des étapes d’homogénéisation des pièces de turbomachine qui peuvent être réalisées à la fin de la mise en forme des pièces en AM1. Dans un mode de réalisation, le superalliage peut définir une surface externe de la pièce. En d’autres termes, il n’est pas nécessaire de recouvrir la pièce d’un revêtement pour bénéficier des propriétés de résistance à l’oxydation conférées par la pièce décrite ci-dessus. Dans un autre mode de réalisation, un revêtement en aluminure de nickel de structure β peut être présent à la surface d’un superalliage tel que décrit ci-dessus. Ainsi, dans un mode de réalisation, une pièce de turbomachine peut comprendre: - un substrat formé par le superalliage base nickel, et - un revêtement en aluminure de nickel de structure β présent sur le substrat. On notera que d’une manière générale le revêtement en aluminure de nickel de structure β peut ou non être modifié par un ou plusieurs éléments, par exemple le platine, le zirconium ou l’hafnium. Ainsi, à titre de revêtement en aluminure de nickel de structure β convenant pour l’invention on peut notamment citer le NiAl de structure β, le NiPtAl de structure β, le NiAlZr de structure β et le NiAlHf de structure β. Dans un mode de réalisation, le revêtement en aluminure de nickel de structure β est un revêtement de NiAl de structure β ou un revêtement de NiPtAl de structure β. Le revêtement en aluminure de nickel de structure β peut être formé par une méthode connue en soi. Par exemple, l’aluminure de nickel de structure β peut être formé par dépôt physique en phase vapeur, par dépôt chimique en phase vapeur, par cémentation en caisse ou encore par voie barbotine. Dans le mode de réalisation précédent, une pièce de turbomachine selon l’invention peut comprendre en outre une barrière thermique présente sur le revêtement en aluminure de nickel de structure β. Une telle barrière thermique est connue en soi, et permet de protéger la pièce de turbomachine contre les fortes températures qu’elle rencontre lors de son utilisation. Dans un mode de réalisation, la barrière thermique peut être présente au contact du revêtement en aluminure de nickel de structure β. Dans un mode de réalisation, le superalliage est monocristallin. Un superalliage monocristallin permet une migration plus rapide et en plus grande quantité de l’hafnium vers la surface puisque l’hafnium n’est pas piégé par le carbone généralement introduit pour stabiliser les joints de grains d’un alliage polycristallin. Ceci, améliore davantage encore la protection conférée par l’hafnium et donc la résistance à l’oxydation de la pièce. Dans un mode de réalisation, la pièce de turbomachine peut être une aube de turbomachine, un distributeur de turbomachine, un anneau de turbine de turbomachine, ou une chambre de combustion de turbomachine. Le distributeur peut être un distributeur haute ou basse pression. Dans un mode de réalisation préféré, la pièce de turbomachine peut être une aube de turbomachine, ou un distributeur haute pression de turbomachine. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne encore une turbomachine comprenant une pièce telle que décrite ci-dessus. Brève description des figures La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une vue en section d’une pièce de turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 2 représente, de manière schématique et partielle, une vue en section d’une pièce de turbomachine selon un autre mode de réalisation de l’invention. La figure 3 est un résultat d’essais comparatifs montrant les différences en termes de résistance à l’oxydation entre des pièces selon l’invention et des pièces hors invention. Description détaillée La description va maintenant être faite au moyen de figures destinées à mieux comprendre l’invention mais ne devant aucunement être interprétées de manière limitative. La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l’invention, dans lequel une pièce de turbomachine 20 est réalisée uniquement en un superalliage 21 sans qu’il ne lui soit appliqué de revêtement. Dans ce mode de réalisation, le superalliage forme la partie extérieure de la pièce. Sur la figure 2, illustrant un autre mode de réalisation particulier de l’invention, une pièce de turbomachine 24 est représentée de manière schématique composée d’un substrat en superalliage 21 et d’un revêtement 22 en aluminure de nickel de structure β qui recouvre le substrat en superalliage 21 sous-jacent. Dans le mode de réalisation représenté, la pièce de turbomachine 24 comprend en outre une barrière thermique 23 au contact du revêtement 22 en aluminure de nickel de structure β. La barrière thermique 23 peut définir la surface externe de la pièce 20. Dans un mode de réalisation, le revêtement 22 peut avoir une épaisseur e 1 comprise entre 40 µm et 90 µm. De même, la barrière thermique 23 peut avoir une épaisseur e 2 comprise entre 50µm et 300 µm. Dans un mode de réalisation, la barrière thermique peut être choisie parmi une zircone partiellement stabilisée à l’yttrine ou un ou plusieurs autre(s) oxyde(s) de terre rare, une zircone dopée au dysprosium, du zirconate de gadolinium, une pérovskite. Dans un mode de réalisation alternatif, la barrière thermique 23 peut être absente. Auquel cas, le revêtement 22 en aluminure de nickel de structure β peut définir la surface externe de la pièce. Plusieurs échantillons d’AM-1 ont été enrichis avec une teneur massique d’hafnium allant de 340 ppm à 8000 ppm. On réalise ainsi des échantillons selon l’invention, lorsque le taux d’hafnium est compris entre 500 ppm et 1100 ppm et d’autres hors invention. Les échantillons varient uniquement par leurs teneurs massiques en hafnium. La teneur en hafnium des échantillons ainsi préparés est mesurée par spectrométrie de masse. Chacun des échantillons est ensuite soumis à des cycles d’oxydation, et la variation de masse de chaque échantillon est mesurée trois fois par semaine pendant les 200 premiers cycles, puis deux fois par semaine au-delà. Les échantillons testés dans cet exemple ne sont pas revêtus. En d’autres termes, la face de l’échantillon qui subit les cycles d’oxydation est en superalliage. Un cycle d’oxydation correspond à une chauffe très rapide jusqu’à la température d’oxydation (1150°C ± 5 °C), un maintien à 1150°C sous pression atmosphérique d’air pendant 60 minutes et enfin un refroidissement forcé avec de l’air sec pendant 15 minutes de manière à s’assurer que la température de la pièce est inférieure à 150°C ± 3°C. L’essai est stoppé lorsqu’il est observé une perte de masse spécifique de 20 mg/cm 2 . La figure 3 illustre les résultats obtenus pour chaque échantillon. Les teneurs massiques en hafnium des échantillons représentés sur la figure 3 sont pour les courbes 11a et 11bde 340 ppm, les courbes 12aet 12b de 670 ppm, la courbe 13ade 780 ppm, les courbes 16aet 16b de 1300 ppm, les courbes 15a et 15bde 2100 ppm, les courbes 14a et 14bde 4700 ppm et les courbes 17a et 17bde 8000 ppm. Il n’y a pas de différence de composition des échantillons dont les résultats sont représentés avec un numéro suivi de la lettre a et la composition de l’échantillon dont les résultats sont représentés avec le même numéro suivi de la lettre b. Il peut être observé sur la figure 3 que les échantillons présentant une teneur massique en hafnium comprise entre 500 ppm et 1100 ppm (12a, 12b et 13a) sont également ceux pour lesquels la perte de masse est la moins importante. Cette teneur en hafnium optimisée permet donc une meilleure résistance à l’oxydation. L’expression «compris(e) entre … et …» doit se comprendre comme incluant les bornes. Pièce (20) de turbomachine comprenantun superalliage base nickel (21) comprenant en teneur massique 5,0 % à 8,0 % de cobalt, 6,5 % à 10 % de chrome, 0,5 % à 2,5 % de molybdène, 5,0 % à 9,0 % de tungstène, 6,0 % à 9,0 % de tantale, 4,5 % à 5,8 % d’aluminium, de l’hafnium en une teneur massique comprise entre 500 ppm et 1100 ppm, et comprenant éventuellement du niobium en une teneur massique inférieure ou égale à 1,5 %, et éventuellement l’un au moins du carbone, du zirconium et du bore chacun en une teneur massique inférieure ou égale à 100ppm,le complément étant composé par du nickel et des impuretés inévitables. Pièce (20) de turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle la teneur massique en hafnium du superalliage (21) est comprise entre 670 ppm et 780 ppm. Pièce (20) de turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le superalliage (21) définit une surface externe de la pièce. Pièce de turbomachine (24) selon la revendication 1 ou 2, comprenant: - un substrat formé par le superalliage base nickel (21), et - un revêtement (22) en aluminure de nickel de structure β présent sur le substrat. Pièce (24) de turbomachine selon la revendication 4, dans laquelle le revêtement (22) en aluminure de nickel de structure β est un revêtement de NiAl de structure β ou un revêtement de NiPtAl de structure β. Pièce (24) de turbomachine selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle une barrière thermique (23) est présente sur le revêtement (22) en aluminure de nickel de structure β. Pièce (20) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le superalliage (21) est monocristallin. Pièce (20) de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle ladite pièce est une aube de turbomachine, un distributeur de turbomachine, un anneau de turbomachine, ou une chambre de combustion de turbomachine. Turbomachine comprenant une pièce (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.