Alliages à haute température

Un alliage à haute température est tout matériau en alliage qui peut fonctionner régulièrement pendant une période prolongée dans un environnement avec des températures élevées et des stress. Il est également connu sous le nom de superalliage et a une force d'alliage élevée. Il est largement utilisé dans des contextes graves à haute température, y compris les industries nucléaires, pétrochimiques, turbines à gaz, aérospatiale et automobile.

Le développement de turbines à gaz contemporaines et de moteurs d'aviation a été considérablement aidé par l'émergence d'alliages à haute température, qui leur permettent de fonctionner à des températures plus élevées, d'augmenter l'efficacité de la combustion et d'éviter moins d'énergie.

Propriétés typiques:

- Force à haute température plus élevée

- bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion

- Bonne performance de fatigue

- bonne ténacité de fracture

Microstructures d'alliages à haute température

La structure métallographique est le petit réseau de grains et les bords entre eux dans des alliages à haute température. Il a un grand impact sur les propriétés mécaniques de l'alliage, comme la façon dont il résiste à des températures et un fluage élevés. Différents types d'alliages à haute température (à base de nickel, à base de fer, à base de cobalt) ont des microstructures différentes en raison de leurs différentes compositions.

phase:Structure cubique centrée sur le visage (FCC), comme la phase principale de charge de l'alliage, responsable de la résistance globale

' phase:Structure cubique centrée sur le visage ordonné, phase de renforcement, améliorant la résistance à haute température

" phase:Structure cubique centrée sur le visage désordonné, comme une phase de renforcement dans certains alliages à base de nickel tels que Inconel 718

Carbure:Une phase stable à haute température qui peut entraver le glissement et la dérive des limites des grains, améliorer les performances de fluage et améliorer la stabilité des frontières des grains

Classification des alliages à haute température

Selon leÉléments de matrice principale, les alliages à haute température peuvent être divisés en types suivants:

1. Alliages à haute température à base de nickel

Dans tout le domaine des alliages à haute température, les alliages à base de nickel ont une position particulièrement importante. Il est le plus souvent utilisé des trois alliages à haute température, employé dans la production de moteurs à réaction pour les avions et les composants plus chauds de plusieurs turbines à gaz industrielles.

Son composant principal est le nickel (NI), qui en représente généralement plus de 50%. Pour améliorer sa résistance aux températures élevées, à l'oxydation, à la corrosion et au fluage, il contient également du cobalt (CO), du chrome (CR), du molybdène (MO), de l'aluminium (AL), du titane (Ti), du tungstène (W), du rhénium (RE) et d'autres éléments.

Performance principale

- Température de fonctionnement maximale: jusqu'à 1100 degrés

- Excellente résistance à haute température et résistance au fluage, adapté à un service à long terme à haute température

- Bonne résistance à l'oxydation et résistance à la corrosion sulfurée

- Certains alliages à base de nickel peuvent être soudés et sont faciles à traiter

Notes communes

- Inconel 718 (UNS N07718): résistance à haute température et résistance au fluage

- Hastelloy X (UNS N06002): résistance à la corrosion, adaptée aux chambres de combustion

- Waspaloy (UNS N07001): excellente résistance à haute température

- René 41 (UNS N07041): haute résistance, mais difficile à traiter

- Nimonic 80A (UNS N07080): Pares de turbine à gaz

Applications typiques

- Pares de turbine moteur d'avion, chambres de combustion, buses

- Composants à extrémité chaude de la turbine à gaz, telles que les chambres à combustion et les aubes guides

- Composants des réacteurs de l'industrie nucléaire

- Environnement de corrosion à haute température pétrochimique

2. Alliage à haute température à base de fer

L'acier en alliage résistant à la chaleur est un autre nom pour l'alliage à haute température à base de fer, qui est principalement composé de fer (FE) (généralement supérieur à 50%) avec des traces d'éléments d'alliage comme Ni et Cr. Selon ses critères de normalisation, l'acier en alliage résistant à la chaleur peut être classé comme martensite, austénite, perlite, ferrite, etc.

Performance principale

- Utilisation de la température: 750 ~ 900 degrés

- Bonne résistance à l'oxydation, adaptée aux environnements à haute température

- Low creep resistance and endurance strength, not suitable for extremely high temperature environments (>900 degrés)

Notes communes

Hastelloy D -205: Application à haute température résistante à la corrosion

Application typique

- Composants de turbine à gaz (composants avec une température de fonctionnement inférieure)

- Composants mineurs aérospatiaux

- Système d'échappement et vannes à haute température dans l'industrie automobile

3. Superalliages à base de cobalt

Le cobalt est le fondement des superalliages à base de cobalt, qui contiennent environ 60% de cobalt. Afin d'augmenter la résistance à la chaleur des superalliages, des composants comme Cr et Ni doivent être ajoutés simultanément.

Propriétés principales

- Excellente résistance à l'oxydation et résistance à la corrosion thermique, adaptée aux environnements extrêmes

- bonne résistance à haute température, jusqu'à 1000 degrés

- Excellente résistance à l'usure; certains utilisés pour les revêtements résistants à l'usure

Notes communes

- Haynes 188 (UNS R30188): forte résistance à l'oxydation

- MAR-M 509: Convient aux lames de turbine à gaz à haute température

Applications typiques

- Composants à extrémité chaude de la turbine à gaz, comme les chambres de combustion

- Pares de turbine moteur d'avion

- Équipement à haute température de l'industrie nucléaire

- Composants résistants à l'usure, tels que les vannes et les roulements

Comparaison entre les superalliages à base de nickel, à base de fer et à base de cobalt

	Nickel	En fer	À base de cobalt
Résistance à haute température	Meilleur	Faible	Faible
Résistance au fluage	Meilleur	Faible	Faible
Résistance à l'oxydation	Bien	Faible	Meilleur
Résistance à la corrosion	Bien	Faible	Meilleur
Se résistance à l'usure	Bien	Faible	Meilleur
Coût	Haut	Faible	Le plus élevé
Température de fonctionnement	800-1100 degré	700-900 degré	800-1000 degré

Superalliage à base de nickel: la meilleure performance la plus courante

Superalliage à base de fer: résistance à la chaleur à faible coût, légèrement médiocre

Superalliage à base de cobalt: Capacités anti-oxydation et anti-corrosion

Selon leMéthode de renforcementde l'alliage

1. Solution solide alliages à haute température renforcés

Afin de créer des grappes de solutions solides et d'élever la teneur en élément de solution solide de la matrice d'alliage à haute température, les éléments de solution solide dans l'alliage sont dissous dans la matrice.

Avantages:Améliorer la force, la dureté, la ténacité et la résistance à l'usure des alliages à haute température

Inconvénients:Il est facile de produire des phénomènes tels que des précipités réduits et une matrice fragile, ce qui affecte la résistance à la fatigue et la ténacité des alliages à haute température

Application:Convient aux environnements d'impact à haute température à court terme, tels que les boîtiers de turbine à gaz.

2. Les précipitations ont renforcé les alliages à haute température

Il fait référence à l'ajout d'une certaine quantité d'éléments de précipitation à l'alliage à haute température pour former une phase microscopique avec les éléments de la matrice, augmentant ainsi la résistance à la flexion et au cisaillement de l'alliage à haute température.

Avantages:

- Améliorer la résistance à l'oxydation et la résistance à la corrosion des alliages à haute température

- Améliorer la plasticité, la ténacité et la résistance à des températures élevées

Inconvénients:Fissure de surface facile à former, de relâchement et d'autres problèmes, réduisant la vie et la durée de vie des alliages à haute température

Application:Convient aux pièces de service à haute température à long terme, telles que les lames de turbine moteur d'avion

3. Alloys à haute température renforcés par le vieillissement

Grâce au traitement thermique, la phase de renforcement est précipitée pour améliorer la dureté et la résistance à la chaleur

Avantages: Dureté et des performances réglables

Application: Convient pour un service à long terme à des températures élevées

4. Alloys à haute température résistants à la dispersion

L'objectif est d'augmenter la force et la dureté de l'alliage en ajoutant des particules dures dispersées. Pour augmenter la force et la dureté du métal de base, ces particules dures - qui peuvent être des oxydes, des carbures, etc.

Avantages: Bonne résistance à la fatigue et résistance à haute température

Application: Suitable for extremely high-temperature environments (>1200 degrés)

Selon leprocessus de fabrication, les alliages à haute température peuvent être divisés en:

1. Superalliage déformé

Il se réfère à des alliages à haute température qui peuvent être transformés chauds et froids en forgeant, en roulant, en extrusion et en autres processus.

Caractéristiques: bonne plasticité, haute résistance, adaptée aux structures complexes

Température de travail: -253 ~ 1320 degré

Application: disque de turbine moteur d'avion, boîtier

2. Cast Superaloy

Le matériau en alliage qui prépare directement les pièces par la méthode de coulée est appelé alliage à haute température coulant.

Selon la matrice, il peut être divisé en alliage à haute température à base de fer à base de fer, alliage à haute température à base de nickel et alliage à haute température à base de cobalt

Selon la méthode de cristallisation, il peut être divisé en alliage à haute température polycristallin, alliage à haute température coulant à haute température, alliage à haute température de coulée à haute température à haute température à haute température et à haute température monocristal

Caractéristiques: Convient aux environnements de contrainte à haute température et complexes, l'alliage monocristallit n'a pas de limite de grain et de bonnes performances de fluage

Application: lames de turbine moteur d'avion

3. Power Superalloy

Il s'agit d'un alliage à haute température fabriqué par un processus de métallurgie en poudre.

Selon la méthode de renforcement de l'alliage, il est divisé en type de renforcement de la dispersion et type de renforcement des précipitations.

Caractéristiques: structure uniforme, pas de ségrégation, résistance à une température extrêmement élevée

Application: disque de moteur aérospatial

4. ODS Superalloy

→ OSD: Superalliage renforcé de dispersion de l'oxyde

Le renforcement de la dispersion des oxydes des superalliages fait référence à une nouvelle méthode de renforcement qui ajoute une certaine quantité d'oxydes thermodynamiquement stables au superalliage pour les disperser dans la matrice et former une phase de dispersion d'oxyde qui est insoluble dans la matrice, ce qui renforce encore plus l'alliage. Il est généralement préparé par l'alliage mécanique.

Caractéristiques: Une forte résistance au fluage supérieur à 1200 degrés

Application: moteur aérospatial