Comment les superalliages stimulent l'innovation dans les secteurs de l'aérospatiale et de l'énergie

Les alliages modernes qui équipent les moteurs sont plus anciens que ce que l'on suppose généralement. Les superalliages à base de nickel utilisés dans la section turbine ont été développés sur plusieurs décennies, et les noms qui figurent aujourd'hui sur les plans ont été largement établis avant les méthodes de fabrication qui dominent actuellement l'industrie. Ce qui a changé, c'est la manière dont ces alliages sont transformés en pièces, et c'est ce changement qui est à l'origine de la plupart des améliorations récentes.

Trois voies de formage expliquent ce changement. La solidification directionnelle et la coulée monocristalline permettent de fabriquer une aube sans les joints de grains qui limitent le fluage. La métallurgie des poudres permet de fabriquer un disque avec une structure fine et uniforme qu'une pièce coulée ne peut atteindre. La fabrication additive permet de construire une forme couche par couche, ce qui modifie à la fois la géométrie possible et la quantité de métal gaspillée.

Chaque voie résout un problème et chacune introduit un défaut qui n'existait pas auparavant. C'est la description honnête de l'innovation dans cette industrie, et c'est la raison pour laquelle une spécification d'achat pour une pièce en superalliage doit désormais décrire un procédé ainsi qu'une composition.

Le tableau classe les voies selon ce qu'elles permettent et ce qu'elles coûtent. L'alliage dans chaque colonne peut être similaire, et la pièce qui en résulte ne l'est pas.

La voie monocristalline est l'exemple le plus clair d'un procédé qui a changé le matériau sans changer son nom. Une aube coulée en monocristal n'a pas de joints de grains sur la section qui supporte la charge centrifuge, donc le mécanisme de fluage qui limite une pièce coulée équiaxe est supprimé et non réduit. Les alliages monocristallins de deuxième génération tels que le CMSX-4 sont entrés en service dans les aubes de turbine à gaz dans les années 1990, et les alliages de troisième génération tels que le Rene N5 ont suivi pour les positions les plus chaudes, le choix entre eux étant dicté par la capacité de température et la compatibilité du revêtement, et non par la disponibilité.

Un acheteur qui a qualifié un superalliage par sa composition a qualifié le métal et non la pièce. Chaque voie de formage a un défaut caractéristique que la composition ne décrit pas, et chaque défaut nécessite sa propre inspection.

La ligne de la métallurgie des poudres est celle qui surprend les acheteurs novices en matière de disques. Trois défauts sont mentionnés à plusieurs reprises dans la littérature technique pour les disques en poudre de nickel : la précipitation aux joints de particules d'origine, la porosité induite thermiquement et les inclusions non métalliques. Le premier est un réseau de précipités qui suit les surfaces des particules de poudre d'origine, et il se forme lorsque la surface de la poudre contient de l'oxygène ou du carbone qui réagit lors de la consolidation. Le second est une porosité qui apparaît lorsque le gaz piégé dans la poudre se dilate lors d'une excursion à haute température. Le troisième est une inclusion solide qui est arrivée avec la poudre et qu'aucun traitement thermique ne pourra éliminer.

Aucun de ces trois défauts ne peut être détecté par un certificat de composition. Ils sont trouvés par inspection par ultrasons, par sectionnement et par contrôle du lot de poudre, c'est pourquoi une spécification de disque mentionne la source de la poudre et la voie de consolidation, et pas seulement l'alliage.

Une pièce en superalliage est coûteuse en partie parce que la majeure partie du métal acheté ne se retrouve pas dans l'avion. La mesure est le rapport achat/vol, le poids du matériau acheté divisé par le poids du composant fini, et il diffère d'un ordre de grandeur entre les voies.

Le rapport explique pourquoi la fabrication additive est entrée dans l'aérospatiale pour les pièces géométriquement complexes et non pour les pièces simplement grandes. Un injecteur de carburant avec des canaux internes ne peut pas être usiné à partir d'une pièce forgée sans assembler plusieurs pièces, et une garniture avec un réseau dense de caractéristiques de refroidissement est difficile à produire autrement. Lorsque la géométrie est simple, une pièce forgée reste moins chère, et l'argument du rapport disparaît.

Le rapport explique également une limitation. Une pièce construite en ajoutant du matériau a un historique thermique différent de celui d'une pièce forgée, et les propriétés dans la direction de fabrication diffèrent des propriétés dans la direction transversale. L'économie de matériau est réelle et l'anisotropie est réelle, et le plan doit indiquer la direction dans laquelle les propriétés sont importantes.

Le passage d'un achat de matériau à un achat de procédé est la conséquence pratique de tout ce qui précède. Un acheteur qui spécifiait autrefois un alliage et une forme spécifie désormais un alliage, une voie de formage, un niveau d'acceptation des défauts et un dossier de qualification.

C'est pourquoi deux devis pour le même alliage peuvent différer d'un facteur que le prix du métal n'explique pas. Un fournisseur propose une voie qu'il a qualifiée, et l'autre propose une voie qu'il a l'intention de qualifier sur la commande de l'acheteur.

Les turbines à gaz terrestres utilisent les mêmes trois voies de formage et appliquent une logique d'acceptation différente. Une aube pour une machine à grand cadre est une pièce coulée monocristalline ou à solidification directionnelle, et la durée de vie en fluage à la température de combustion est la propriété décisive. Un disque est une pièce en métallurgie des poudres, et l'inspection vise les trois défauts de poudre et non les défauts de coulée. Une chambre de combustion ou une pièce de transition est de plus en plus une pièce additive, et l'acceptation est construite autour de la fatigue thermique d'une paroi mince et non autour d'un essai de traction.

Le fil conducteur est que la température dans la section chaude a augmenté en améliorant le procédé et la géométrie de refroidissement ensemble, et non en trouvant un nouveau métal de base. Une aube monocristalline avec refroidissement par film et revêtement barrière thermique est un système, et l'alliage en est un élément. Une page qui crédite uniquement l'alliage a décrit un tiers de la raison pour laquelle la turbine fonctionne.

La forme du produit suit toujours la voie, et le document suit toujours la forme. Les barres, billettes et stocks de forge sont l'intrant d'une pièce usinée ou forgée. La poudre est l'intrant d'un disque consolidé. Le fil et la bande sont l'intrant d'un assemblage soudé ou formé. La plaque est l'intrant d'une chambre de combustion ou d'un carter.

DLX fournit des superalliages à base de nickel et de cobalt à Changzhou, Jiangsu, sous forme de fil à partir de 0,025 mm, de barre ronde jusqu'à 50 mm, de bande de 0,50 mm à 2,5 mm d'épaisseur, et de tube et de plaque dans les dimensions standard du laminoir. La gamme couvre les nuances de solution solide et de durcissement par précipitation utilisées dans le matériel aérospatial et énergétique, ainsi que les métaux d'apport correspondants pour le soudage.

Le matériau est fourni conformément à la spécification nommée sur la commande, avec un certificat EN 10204 3.1 sur demande et le numéro de coulée traçable aux résultats des tests. Un acheteur qui déplace une pièce vers une nouvelle voie de formage aura généralement besoin d'abord de la forme d'entrée et de son certificat, car la qualification de la voie commence par le matériau et non par la pièce finie.

Les compositions ont été développées sur plusieurs décennies et les nuances largement utilisées sont matures. La plupart des gains récents proviennent de la voie de formage, de la géométrie de refroidissement et des revêtements, et ces trois éléments fonctionnent comme un système. Une aube monocristalline avec refroidissement par film et revêtement barrière thermique fonctionne à une température que l'alliage seul ne supporterait pas.

Parce que les joints de grains sont supprimés du chemin de charge. Dans une aube coulée conventionnellement, les joints traversent la section qui supporte la charge centrifuge, et ils constituent le chemin faible à haute température. La solidification directionnelle aligne les joints le long de la charge, et la coulée monocristalline les supprime complètement, de sorte que le mécanisme de fluage qui limite la pièce coulée est éliminé et non réduit.

Précipitation aux joints de particules d'origine, porosité induite thermiquement et inclusions non métalliques. Le premier est un réseau de précipités qui suit les surfaces des particules d'origine, le second est une porosité due au gaz piégé dans la poudre qui se dilate à haute température, et le troisième est une inclusion solide qui est arrivée avec la poudre. Aucun d'entre eux n'apparaît sur un certificat de composition, et ils sont trouvés par inspection par ultrasons, sectionnement et contrôle du lot de poudre.

Le poids du matériau acheté divisé par le poids de la pièce finie. Le forgeage et l'usinage se situent couramment entre 3:1 et 10:1, et la fabrication additive entre 1:1 et 3:1, c'est pourquoi la voie additive est attrayante pour une pièce complexe et non pour une pièce simple. Le rapport est une mesure du coût des matériaux, et il ne dit rien sur la durée de vie en fatigue de la pièce.

Non, elle modifie ce qui doit être qualifié. Une pièce fabriquée a un historique thermique et une structure dépendant de la direction, de sorte que le plan doit indiquer l'orientation dans laquelle les propriétés sont importantes, et la fenêtre de procédé doit être fixée. L'économie de matériau est réelle et la charge de qualification est plus importante que pour une pièce forgée du même alliage.

Parce que l'un propose un procédé qualifié et l'autre un matériau. Le prix de l'alliage n'est qu'une petite partie de la différence. Le reste concerne la voie, l'inspection, les enregistrements du procédé et le rendement, et une voie qui n'a pas été qualifiée entraîne un coût qui apparaît après la commande.

L'innovation dans les superalliages aérospatiaux et énergétiques est passée de la composition à la voie de formage. La solidification directionnelle et la coulée monocristalline suppriment les joints de grains qui limitent le fluage. La métallurgie des poudres produit une structure de disque qu'une pièce coulée ne peut atteindre, au prix de trois défauts provenant de la poudre. La fabrication additive modifie la géométrie possible et la fraction de métal acheté qui atteint la pièce.

Chaque voie apporte un défaut et une charge de qualification, et la spécification d'achat doit les nommer toutes les deux. Un acheteur qui spécifie l'alliage et la forme a spécifié l'intrant. Un acheteur qui spécifie également la voie, l'acceptation des défauts et la preuve a spécifié la pièce.

1. Revues publiées sur les superalliages à base de nickel en métallurgie des poudres, identifiant la précipitation aux joints de particules d'origine, la porosité induite thermiquement et les inclusions non métalliques comme les trois défauts caractéristiques de la voie.
2. Études publiées sur la formation de joints de particules d'origine dans les superalliages à base de nickel, décrivant le réseau de précipités qui suit les surfaces des particules d'origine après consolidation.
3. Travaux publiés sur la solidification directionnelle des aubes de turbine monocristallines, y compris l'alliage de deuxième génération CMSX-4 utilisé dans les aubes de turbine à gaz depuis les années 1990, l'alliage de troisième génération Rene N5, et le défaut de tache qui se forme lorsque le front de solidification est perturbé.
4. Évaluations publiées de la coulée monocristalline pour les aubes de turbine, décrivant la suppression des joints de grains du chemin de charge et le bénéfice de fluage qui en résulte.
5. Revue publiée sur la fabrication additive métallique dans l'aérospatiale, rapportant des rapports achat/vol d'environ 1:1 à 3:1 pour les voies additives.
6. Évaluations industrielles publiées du forgeage et de l'usinage, rapportant des rapports achat/vol d'environ 3:1 à 10:1, et du composite fibre de carbone à environ 1,5:1 comme comparaison.
7. Spécifications produit AMS et ASTM pour les barres, billettes, plaques, tôles et fils de superalliages à base de nickel, en tant que documents régissant les formes d'entrée nommées dans le tableau.
8. EN 10204, documents d'inspection, pour la définition du certificat 3.1 comme document portant les résultats réels des tests et approuvé par le représentant indépendant de l'inspection du fabricant.

Les voies et les mécanismes de défaut ci-dessus décrivent le comportement général des procédés nommés, et ne constituent pas une déclaration qu'un fournisseur particulier est qualifié pour une pièce particulière. Les rapports achat/vol varient en fonction de la géométrie du composant et de la quantité de matière à usiner, de sorte que les plages indiquées sont des valeurs typiques et non des objectifs de conception. Les propriétés d'une pièce fabriquée ou coulée dépendent de l'historique thermique local et de l'orientation de l'éprouvette, de sorte qu'une valeur provenant d'une éprouvette ne décrit pas tous les emplacements d'une pièce. Les exigences de qualification pour le matériel de vol sont fixées par le fabricant de la cellule ou du moteur et par l'autorité de navigabilité applicable, et rien dans cette page ne constitue une qualification. Les spécifications produit sont révisées, et l'édition nommée sur la commande fait foi. Rien dans cette page ne remplace une approbation d'ingénierie ou les tests de qualification convenus entre l'acheteur et le fournisseur.