Mรฉtal de base no.2
Le MC2 Le MC2 est un superalliage monocristallin. Il est obtenu pour les procedes modernes a la cire perdu et la solidification dirigee. Sa composition est affichee dans le tableau 1.2. En eliminant les joints de grains les proprietes mecaniques dโun superalliage sont augmentees. Cela evite dโutiliser de renfonceurs du joints des grains tel que carbone, zirconium et bore. Microsctruc turalement le MC2 est forme dโune matrice de structure cubique a faces centrees ฮณ qui contient une dispersion de precipites intermetalliques dur ฮณ_. Les etudes de resistance au fluage montrent quโelle augmente avec la fraction volumique de ฮณ_. Cependant une condition en ฮณ_ superieur a 80% le reduise. La fraction volumique de ฮณ_ contenue dans le MC2 est 70%. La distribution chimique entre ces deux phases est la suivante : la phase ฮณ contient le Cr, le Co, le Mo, et le W. Les plus favorables pour durcir la matrice sont le Mo et W. Aussi le Ta et Nb qui ne sont pas associes avec la phase gamma prime. La formation de borures avec le Cr ou Mo se produit de preference dans la phase gamma. Le Cr favorise la resistance a la corrosion. La phase ฮณ_ est riche en elements tel que lโAl, le Ti, et le Ta, qui forment des particules de type Ni3(Al, Ta, Ti). Cet intermetallique a une bonne ductilite et une resistance mecanique elevee ainsi qui une bonne resistance a la corrosion a chaud. (Durand-Charre, 1997) (Reed, 2006).
Mรฉtal de base no.3
Le superalliage IN625 . Les alliages de nickel font partie des alliages de haute rรฉsistance a la tempรฉrature, ils sont prรฉsents dans les turbines a gaz, echangeurs de chaleur et moteurs dโavions (dans les aubes, rotors, helices, etc.). LโInconel 625 est un superalliage cree dans les annees 50 a lโepoque ou les superalliages etaient fortement allies avec du Cr. Il a surtout pour role dโoffrir une forte resistance a la corrosion et accesoirement une bonne resistance a haute temperature. LโInconel est allie avec un forte teneur en Mo. Cet element permet un leger durcissement par solution solide et ameliore avec le Cr la resistance aux atmospheres humides corrosives. Mo et Ni forment un alliage resistant a lโoxydation chimique. (Sims et al., 1987; Reed, 2006; Donachie et Donachie, 2002). Le Ti et lโAl sont connus pour former la phase ฮณโNi3(Al, Ti) ici tres peu presente. Le Nb stabilise lโalliage et previent la corrosion intergranulaire. La phase stable ฮณ__โNi3Nb a une structure orthorhombique Ni3Nbฮด, peut etre formee dans certaines conditions et favorise le durcissement a temperatures intermediaires, mais elle est instable a hautes temperatures. (Durand-Charre, 1997; Donachie et Donachie, 2002). Lโalliage Inconel 625 est polycristallin, a grains macles de taille moyenne de 18 ฮผm. La composition chimique de lโInconel est indiquee dans le tableau 1.3. Afin dโassurer une bonne mouillabilite entre lโInconel et la brasure, la surface de lโInconel est, apres traitement, revetue dโune couche de Ni deposee par voie electrolytique. Differentes epaisseurs ont ete testees : 0 ฮผm, 19 ฮผm et 40 ฮผm.
Mรฉtal dโapport unique : Brasure BNi-2 Le BNi-2 est une classification de la AWS, et fait partie des brasures a base de Ni. La composition chimique est indiquee dans le tableau 1.4. Le B et le Si jouent le role de depresseurs du point de fusion (MPD). La plage de brasage suggere dโapres American Welding est entre 1010 หC et 1177หC. La brasure BNi-2 a ete choisi principalement parce que elle a une bonne compatibilite chimique avec les substrats de brasage (Ni et Inconel 625). Cโest un des materiaux dโapport le plus utilise pour le brasage de superalliages. Elle presente un faible point de fusion et une bonne resistance a la corrosion particulierement a haute temperature. Couramment utilise pour le brasage dโequipements de lโindustrie alimentaire, des pieces des moteurs dโavion, dans lโindustrie nucleaire et pour le brasage des outillages. (AmericanWelding, 2007; Schwartz, 1987). Nous utilisons ici cette brasure sous forme de feuillard, dโun epaisseur de 50 ฮผm. Le paragraphe ยง2.3 de lโarticle 1 traite en detail des phases formees lors de la solidification du B-Ni2 seul. La figure 1.4 montre le diagramme de phases du Ni et B dont le pourcentage de B contenant dans le materiau dโapport BNi-2, nous amene au coin gauche du diagramme ou la phase est Ni3B. La figure 1.5 nous montre la cristallographie pour cette et autres phases formees a partir du Ni et B. Le diagramme de phases Ni-B-Si est montre dans la Fig. 3.7.
Capillaritรฉ et mouillabilitรฉ
Le remplissage des joints se fait par capillarite avec le materiau dโapport liquide. Partant des besoins de braser des joints dโune faible separation (quelques dizaines de microns), garantir un remplissage total du joint et ses cavites est primordial dans la jonction de pieces. La capillarite est le phenomene par lequel la tension de surface attire le materiau dโapport a lโinterieur du joint pour la formation du joint. Le contact materiau dโapport liquide โ substrat peut entrainer des tensions surfaciques qui empechent la penetration du liquide fondu a lโinterieur des joints. Or les impuretes et les oxydes sur la surface solide peuvent augmenter les tensions surfaciques. Dans la pratique, lโangle que forme une goutte du metal dโapport liquide sur le substrat solide, determine lโangle de mouillage ฮธ, Figure 1.6. Lโangle de mouillabilite est le resultat des energies de surface et forces cohesives entre le solide (S), le liquide (L) et le vapeur (ou vide, V ). Lโequilibre des tensions superficielles ฮณ est exprime par lโequation dโYoung : ฮณSV = ฮณSL + ฮณV L ร cos ฮธ (1.8) La force de capillarite FC depend de ฮธ, tel que exprime dans lโequation 1.9, plus cet angle est faible mieux cโest. FC = ฯ gW h = 2ฮณLV cos ฮธ, (1.9) ou ฯ est la masse volumique de la brasure, g est lโacceleration de la gravite, W est la separation du joint, et h est hauteur dโequilibre. Dans la pratique on cherchera des angles ฮธ inferieurs a 90ห. Un angle de mouillage ayant environ 10 a 40 หest considere comme optimal. (Schwartz, 1987; Nicholas, 1998; Jacobson et Humpston, 2005; American Welding, 2007).
La norme ASM 2675G suggere un ecart W compris entre 20 ฮผm et 100 ฮผm (SAE, 2002). La valeur de h attendue pour un liquide de nickel dans une separation W 100 ฮผm est 460 mm. Dโapres Nicholas (1998) le temps employe pour penetrer 10 mm est dโenviron 0.0092s. Les preparatifs pour le brasage sont importants. Les impuretes et oxydes sont a eviter. Les impuretes sont facilement eliminees avec un nettoyage et manipulation soigne des surfaces a braser. Lโutilisation de degraissants, decapants, dโoxydants est normalement conseille. Les abrasifs mecaniques, par exemple blansting peuvent etre utilises pour nettoyer les surfaces oxydees. (American Welding, 2007). Gale et Wallach 1990 ont fait une etude sur lโinfluence des oxydes du Ni dans le brasage, en brasant differentes types de brasures dont BNi-2. De ce travail on peut conclure que le BNi-2 ne forme pas des oxydes qui puissent provoques des soucis de mouillage.
Leurs experiences ont ete realisees sous une pression 7ร10โ5 mbar (5.3ร10โ5 torr) sans trouver des inconvenients. Des problemes de mouillage nโont pas ete reportes pour le brasage avec du Ni. Par rapport a lโIN625 Lugscheider et al. 1982 a fait des brasages entre Inconel et BNi-2 sans reporter des problemes de mouillage mais il ne reporte pas des placages protectrices ni leur pression de brasage. Par contre (Arafin et al., 2007) cite un nicro blast et un placage fin de Ni dans les pieces dโInconel. Ensuite elles ont ete brases sous une pression 1.33 mPa (10โ5 torr). Dans le present travail des problemes dโoxydation, donc de mouillabilite, sont reportes apres brasage avec BNi-2 sous pression atmospherique. Pour contourner les problemes de mouillage un placage de Ni est effectue sur lโIN625. Le chapitre 5 traite en detail les consequences du placage dans les brasages des superalliages. Par la suite on decrit le placage de Ni employe dans cette these.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION
CHAPITRE 1REVUE DE LITTรRATURE
1.1 Principes du brasage isotherme
1.1.0.1 Cas du brasage binaire
1.1.0.2 Cas du brasage ternaire
1.1.0.3 Cas du TLP ternaire avec prรฉcipitation
1.1.1 Diffusion
1.2 Pratique du brasage isotherme
1.2.1 Les matรฉriaux dโรฉtude
1.2.1.1 Mรฉtal de base no.1 : Le nickel
1.2.1.2 Mรฉtal de base no.2 : Le MC2
1.2.1.3 Mรฉtal de base no.3 : Le superalliage IN625
1.2.1.4 Mรฉtal dโapport unique : Brasure BNi-2
1.2.2 Capillaritรฉ et mouillabilitรฉ
CHAPITRE 2ARTICLE 1 : MICROSTRUCTURE DEVELOPMENT DURING ISOTHER MAL BRAZING OF NI/BNIโ2 COUPLES
2.1 Introduction
2.2 Materials and methods
2.3 Results and discussion
2.3.1 Complete melting/solidification process of BNi-2 alloy
2.3.1.1 Thermal cycle and microstructure evolution
2.3.1.2 Thermodynamic predictions
2.3.2 Diffusion brazing of Ni sample with BNi-2
2.3.2.1 General aspect of DTA curves
2.3.2.2 Microstructure of the brazing region
2.3.2.3 Phase identification
2.3.2.4 Quantitative analysis of the brazing kinetics
2.3.2.5 Mechanisms of isothermal brazing
2.4 Summary
2.5 Acknowledgments
CHAPITRE 3ARTICLE 2 : FIRST MELTING STAGES DURING ISOTHERMAL BRA ZING OF NI/BNI-2 COUPLES
3.1 Introduction
3.2 Materials and methods
3.3 Results
3.4 Discussion
3.5 Conclusions
CHAPITRE 4ARTICLE 3 : POTENTIAL AND LIMITATIONS OF MICROANALYSIS SEM TECHNIQUES TO CHARACTERIZE BORIDES IN BRAZED NI BASED SUPERALLOYS
4.1 Introduction
4.2 Experimental
4.2.1 Ni-based superalloy and brazing conditions
4.2.2 Methods for elemental quantitation and phase identification
4.2.2.1 Electron microprobe
4.2.2.2 Electron Dispersive Spectrometry (EDS)
4.2.2.3 Coupling Wavelength and Electron Dispersive Spectrometry
4.2.3 Electron Backscatter Diffraction analysis
4.3 EDS accuracy for the multi-element Ni-based matrix (Boron-free)
4.3.1 Microanalysis results on Boron-free regions
4.3.2 Discussion
4.4 Accuracy of the elemental analysis of borides
4.4.1 Special care linked to the quantitation of Boron
4.4.2 Boron quantitation : what is the best approach ?
4.4.3 Boron quantitation results
4.5 Contribution of coupled EBSD/EDS techniques for the identification of borides
4.6 Conclusions
CHAPITRE 5BRASAGE ISOTHERME DU SUPERALLIAGE INCONEL 625 PLAQUES AVEC DES FINES COUCHES DE NI ET BRASรS AVEC BNI-2
5.1 Introduction
5.2 Matรฉriaux et mรฉthodes
5.2.1 Placage ou dรฉpรดt รฉlectrolytique de nickel
5.2.2 Mรฉthode de brasage de lโIN625 plaquรฉ
5.3 Rรฉsultats
5.3.1 Courbes de solidification DTA
5.3.2 Examen mรฉtallographique des รฉchantillons plaquรฉs et brasรฉs
5.3.2.1 Profondeur de diffusion
5.3.2.2 Quantification des PL
5.3.3 Analyses chimique qualitative sur lโรฉchantillon plaquรฉ dโรฉpaisseur 42 ฮผm
5.3.4 Analyses chimique qualitative sur lโรฉchantillon plaquรฉ dโรฉpaisseur 19 ฮผm
5.3.5 Analyses chimique qualitative sur lโรฉchantillon sans placage IN625
5.4 Discussion
5.5 Conclusions
CONCLUSION
ANNEXE I TREMPE EN COURS DE BRASAGE SOUS GRADIENT (TBG
BIBLIOGRAPHIE
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