Soutenance mémoire
Éléments d’alliage
Le traitement thermique et les processus de production optimisent les propriétés mécaniques des superalliages. En parallèle, la composition chimique du superalliage est très importante pour fournir les propriétés souhaitées. Les superalliages contiennent une variété d’éléments combinés en accord avec le processus de vieillissement, d’usinage et l’utilisation finale de la pièce. Le tableau 1.1 montre la composition nominale du Waspaloy durci par précipitation et résistant à la corrosion à haute température (871°C) (Carpenter Technology Corporation, 2012). Les superalliages de nickel contiennent généralement des précipités intermétalliques et des carbures qui se produisent au cours du traitement de vieillissement. Ces précipités intermétalliques déterminent les propriétés mécaniques du superalliage. Les résultats des études de Kumar et coll. (2006) expliquent l’influence de la précipitation sur la vélocité ultrasonore. Ainsi, ils montrent la corrélation entre trois éléments : la vélocité ultrasonore, les propriétés mécaniques et la limite d’élasticité apparente ou la dureté, en considérant la taille des grains et le type de précipités. Les propriétés physiques, la conductivité électrique, la conductivité thermique et la densité des superalliages sont influencées par les éléments d’alliage et par les processus de traitement de vieillissement qui contrôlent les propriétés polycristallines et l’orientation des grains. La connaissance théorique des caractéristiques des phases et des précipités, dans le superalliage polycristallin de Waspaloy, permet de mieux expliquer les phénomènes physiques observés pendant les travaux pratiques de ce projet. De ce fait, un extrait de la nature et des propriétés des phases, tiré du manuel de l’ASM International (Vander Voort, 2004), est présenté dans les prochains paragraphes.
Phase gamma prime
La phase gamma prime (γ’) est cubique à faces centrées d’une structure cristalline géométriquement compacte et très stable de Ni3Al, de Ni3Ti ou de Ni3 (Al, Ti). La maille cubique contient des atomes de nickel aux centres des faces et des atomes d’aluminium ou de titane aux coins du cube. Parfois, par substitution des éléments, le nickel est remplacé par le cobalt, le chrome ou le fer et l’aluminium est remplacé par le fer. Le réseau cristallin de la phase gamma prime est très similaire à celui de la matrice et donc, deux phases gamma et gamma prime sont cohérentes. La variation de teneur en molybdène et le rapport quantitatif entre l’aluminium et le titane changent la morphologie de la phase gamma prime et affectent la cohérence entre les deux phases gamma et gamma prime (Vander Voort, 2004, p. 835). Dans le Waspaloy, la teneur en molybdène et le ratio d’aluminium par rapport au titane sont élevés. Dans certains superalliages le facteur d’inégalité3 des réseaux cristallins est trop élevé et, par conséquent, l’exposition de matériaux à haute température finira par la transformation de la phase gamma prime en phases indésirables êta (η) (Ni3Ti), ou delta (δ) (Ni3Nb) (Vander Voort, 2004, p. 835). La fraction volumique, la taille et la distribution de la phase gamma prime sont les paramètres les plus importants pour contrôler les propriétés des superalliages. La phase gamma prime est principalement responsable de la résistance du matériau à la température élevée et à la déformation microstructurale par fluage. Illustrée dans les diagrammes de phase ternaire1 de la figure 1.1, la quantité de la phase gamma prime dépend de la composition chimique et de la température de traitement du vieillissement.
Composition et caractéristiques Geddes et coll. (2010) explique que les phases du superalliage ont un certain degré de solubilité pour d’autres éléments et que le coefficient de partage4 des éléments d’alliage entre la phase gamma et la phase gamma prime contrôle la résistance des superalliages. Le titane et l’aluminium sont les solutés1 essentiels du superalliage de nickel qui produisent une microstructure équilibrée entre deux phases gamma et gamma prime. Le Waspaloy contient un pourcentage relativement élevé de ces éléments de durcissement. Dans certains types de Waspaloy, Gatorizable Waspaloy2, la teneur en titane est 4,6% (Paul D. Genereux, 2000, p. 20). Or, plus la proportion de titane et d’aluminium est élevée, plus il y a de ségrégations générées pendant la solidification (Donachie, 2002a, p. 10). Le Waspaloy contient d’autres éléments de durcissement de solution solide dans les deux phases gamma et gamma prime, comme le bore, le zirconium, le molybdène et le chrome (Donachie, 2002a, p. 22). L’aluminium et le chrome sont essentiels pour la résistance à l’oxydation. L’addition du carbone, du titane et du zirconium permet de précipiter des carbures de type MC, pour améliorer les performances mécaniques du Waspaloy à haute température (Murry, 2010). Par contre, la dispersion discontinue des précipités de carbures globulaires aux joints de grains augmente la superficie de carbures et réduit la durée de vie à la rupture du Waspaloy Forgé (Donachie, 2002a, p. 21 et 28).
Cette précipitation diminue l’énergie de cohésion des joints de grains et détermine la résistance au fluage et la ductilité du superalliage. En général, il existe des limites de concentration des éléments d’alliage pour contrôler la précipitation. Les éléments d’alliage produisent souvent des effets différents dans un superalliage. Par exemple, le carbone et le bore sont ajoutés afin d’obtenir des carbures et des borures pour contrôler les éléments de trace3. Même si les éléments de trace comme le silicium et le sulfure sont souvent en petites quantités (quelques parties par million), ils influencent les propriétés du superalliage. Le fer est un élément d’alliage qui permet simplement de réduire le coût (Geddes, Leon et Huang, 2010, p. 60), mais la teneur du fer est très faible pour classer le Waspaloy dans la catégorie des superalliages de fer-nickel (Donachie, 2002a). La fraction volumique, Vf, optimisée de la phase gamma prime permet d’atteindre des propriétés mécaniques satisfaisantes. Plus la fraction volumique de la phase gamma prime est grande, plus la ductilité du superalliage diminue (Robin M. Forbes Jones, 1999, p. 29). La fonction linéaire du module de Young et de la fraction volumique de la phase gamma prime par rapport à module de matrice explique la diminution de la ductilité (Kumar, Jayakumar et Raj, 2006, p. 583). Le cobalt, le molybdène et le chrome sont les éléments volumineux qui modifient la fraction volumique de la phase gamma prime du superalliage (Geddes, Leon et Huang, 2010, p. 62). La fraction volumique de la phase gamma prime du Waspaloy est relativement basse à cause de la proportion élevée de titane et de l’aluminium ; en conséquence, la phase gamma prime du Waspaloy est plutôt sphéroïde que cuboïde (Donachie, 2002a, p. 21).
Ségrégation La ségrégation, à l’échelle microscopique, se produit pendant le lent processus de solidification des superalliages. La région de solidification est une zone où le métal est partiellement solide et partiellement liquide. Les premiers germes de solidification se présentent sous une forme dendritique à faible teneur en éléments de précipitation, dont le titane, l’aluminium et le carbone. C’est ce qui explique que les zones interdendritiques sont riches en termes d’éléments en solution. Lorsque la taille de la pièce coulée est grande, la vitesse de refroidissement est lente et les dendrites primaires et les zones interdendritiques deviennent plus grandes. Dans certains cas, les zones interdendritiques sont suffisamment grandes pour s’interconnecter et former des défauts à l’échelle macroscopique, des freckles et des white spots (Donachie, 2002a, p. 11). Plusieurs articles scientifiques décrivent l’effet de la présence de ces défauts sur la rupture par fatigue dans les superalliages de nickel, les superalliages de corroyage1 ou les superalliages coulés2. Les superalliages de corroyage se comportent différemment des superalliages coulés et leurs traitements thermiques diffèrent selon leurs utilisations. Les superalliages de corroyage sont plus homogènes, leurs grains sont plus fins et les éléments de durcissement sont plus intégrés dans la phase de solution (Donachie, 2002d, pp. 222-227). Cette information confirme la distribution inégale des freckles et des white spots dans les deux différents superalliages. Il est probable que les disques de turbine en Waspaloy, incluant l’échantillon inspecté dans ce projet, soient fabriqués uniquement à partir de superalliage de corroyage, mais certains documents énoncent le développement d’utilisation simultanée du superalliage de corroyage et du superalliage coulé pour fabriquer des disques résistants à haute température (Alexander Devaux et al., 2011). Alors, cette section du chapitre est une étude sur tous les types de Waspaloy.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ORIGINE ET NATURE DES SÉGRÉGATIONS MÉTALLURGIQUES
1.1 Superalliage de nickel
1.2 Éléments d’alliage
1.2.1 Phase gamma
1.2.2 Phase gamma prime
1.2.3 Précipités de carbures
1.3 Composition et caractéristiques
1.4 Ségrégation
1.4.1 Freckles
1.4.2 White spots
1.4.2.1 White spots discrets
1.4.2.2 White spots dendritiques
1.4.2.3 White spots de la solidification
1.5 Attaque métallographique
1.6 Propriétés mécaniques des superalliages
1.7 Discussion
CHAPITRE 2 MESURE DE CONDUCTIVITÉ ÉLECTRIQUE PAR COURANTS DE FOUCAULT
2.1 Principe des courants de Foucault
2.2 Paramètres de mesure
2.2.1 Impédance et réactance
2.2.2 Conductivité et fréquence
2.2.3 Distance de retrait
2.2.4 Effet pelliculaire
2.2.5 Caractéristiques de la pièce inspectée et de la sonde
2.3 Contraintes résiduelles près de la surface des superalliages grenaillés
2.4 Discussion
CHAPITRE 3 MESURE DE LA VITESSE DE L’ONDE ACOUSTIQUE DE SURFACE (SAW)
3.1 Ondes de Rayleigh
3.2 Paramètres de mesure
3.3 Théorie du ratio de Poisson et du module de Young
3.4 Vitesse des ondes de Rayleigh
3.5 Évaluation des microstructures par les ondes de Rayleigh
3.6 Générer les ondes acoustiques de surface
3.6.1 Transducteur ultrasonore
3.6.2 Transducteur à sabot
3.7 Études préparatoires d’inspection par ondes de Rayleigh
3.7.1 Acoustique non linéaire
3.8 Discussion
CHAPITRE 4 IMAGERIE MAGNÉTO-OPTIQUE
4.1 Principe de l’imagerie magnéto-optique
4.2 Composantes de l’appareil magnéto-optique
4.2.1 Capteur magnéto-optique
4.2.2 Feuille d’inductance et excitation des courants de Foucault
4.2.3 Caméra CCD et vidéo
4.3 Traitement d’image
4.4 Développement et performance
4.4.1 Appareil d’imagerie MOI 308/37/TDF
4.5 Imagerie magnéto-optique et l’image de courants de Foucault
4.6 Microscopie magnéto-optique de Kerr
4.7 Imagerie magnéto-optique et propriétés physico-chimiques du Waspaloy
4.8 Discussion
CHAPITRE 5 RECHERCHES EXPÉRIMENTALES
5.1 Disque de turbine soumis à l’inspection
5.2 Documentation photographique
5.3 Essai de courants de Foucault
5.4 Masse volumique du Waspaloy
5.5 Essai ultrasonore
5.5.1 Transducteurs et couplant acoustique
5.5.2 Vitesse d’onde longitudinale
5.5.3 Vitesse de l’onde transversale
5.5.4 Calcul de la vitesse d’onde de surface
5.6 Mesure en immersion
5.7 Discussion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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