Qu'est-ce qu'un alliage haute température

Les alliages à haute température sont divisés en trois types de matériaux : matériaux à haute température de 760 degrés, matériaux à haute température de 1 200 degrés et matériaux à haute température de 1 500 degrés, avec une résistance à la traction de 800 MPa. En d'autres termes, il s'agit de matériaux métalliques à haute température qui fonctionnent longtemps à des températures supérieures à 760--1500 degrés et dans certaines conditions. Ils ont une excellente résistance à haute température, une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à chaud, de bonnes performances en fatigue, une ténacité à la rupture et d'autres propriétés complètes. Il est devenu un matériau clé irremplaçable pour les composants chauds des moteurs à turbine à gaz militaires et civils.

Les principaux alliages haute température sont utilisés pour fabriquer des composants haute température tels que des aubes de turbine, des aubes, des disques de turbine, des disques de turbine à gaz haute pression et des chambres de combustion pour les turbines à gaz aéronautiques, navales et industrielles. Ils sont également utilisés pour fabriquer des véhicules aérospatiaux, des moteurs de fusée, des réacteurs nucléaires, des équipements pétrochimiques et du charbon. conversion et autres dispositifs de conversion d’énergie.

Depuis la fin des années 1930, la Grande-Bretagne, l’Allemagne, les États-Unis et d’autres pays ont commencé à étudier les alliages haute température. Pendant la Seconde Guerre mondiale, afin de répondre aux besoins des nouveaux moteurs aérospatiaux, la recherche et l'utilisation d'alliages à haute température entrent dans une période de développement vigoureux. Au début des années 1940, le Royaume-Uni a ajouté pour la première fois une petite quantité d'aluminium et de titane à l'alliage 80Ni-20Cr pour former une phase de renforcement, et a développé le premier alliage à base de nickel présentant une résistance élevée à haute température. Durant la même période, afin de répondre aux besoins de développement des turbocompresseurs pour moteurs d'avion à pistons, les États-Unis ont commencé à utiliser des alliages Vitallium à base de cobalt pour fabriquer des aubes.

Par ailleurs, les États-Unis ont également développé un alliage Inconel à base de nickel pour réaliser la chambre de combustion des moteurs à réaction. Plus tard, afin d'améliorer encore la résistance à haute température de l'alliage, les métallurgistes ont ajouté du tungstène, du molybdène, du cobalt et d'autres éléments à l'alliage à base de nickel, ont augmenté la teneur en aluminium et en titane et ont développé une série de marques d'alliages, telles que les britanniques « Nimonic », les américains « Mar-M » et « IN », etc. ; dans les alliages à base de cobalt, des éléments tels que le nickel et le tungstène sont ajoutés pour développer une variété d'alliages à haute température, tels que X-45, HA-188, FSX-414, etc. le manque de ressources en cobalt limite le développement de superalliages à base de cobalt.

Dans les années 1940, des superalliages à base de fer furent également développés. Dans les années 1950, des marques telles que A-286 et Incoloy901 sont apparues. Cependant, en raison d’une mauvaise stabilité à haute température, le développement a été lent depuis les années 1960. L'Union soviétique a commencé à produire des superalliages à base de nickel de marque « ЭИ » vers 1950, et a ensuite produit des superalliages déformés de la série « ЭП » et des superalliages coulés de la série ЖС. La Chine a commencé la production expérimentale d'alliages à haute température en 1956 et a progressivement formé la série « GH » de superalliages déformés et la série « K » de superalliages coulés. Dans les années 1970, les États-Unis ont également utilisé de nouveaux procédés de production pour fabriquer des aubes cristallisées directionnelles et des disques de turbine de métallurgie des poudres, et ont développé des composants en alliage haute température tels que des aubes monocristallines pour répondre aux besoins croissants en matière de températures d'entrée des turbines des moteurs d'avion.

Jusqu'à présent, tous les pays recherchent de nouveaux alliages à haute température, réalisant des percées et des innovations continues et élargissant les domaines d'application. Dans le développement de l’industrie moderne, ils sont évidemment devenus un matériau d’alliage indispensable.

(1) Alliage haute température à base de fer

Les alliages haute température à base de fer peuvent également être appelés aciers alliés résistants à la chaleur. Sa matrice est un élément Fe, avec une petite quantité de Ni, Cr et d'autres éléments d'alliage ajoutés. L'acier allié résistant à la chaleur peut être divisé en acier résistant à la chaleur martensite, austénite, perlite, ferrite, etc. selon ses exigences de normalisation.

(2) Alliage haute température à base de nickel

Les alliages à haute température à base de nickel contiennent plus de la moitié du nickel et conviennent aux conditions de travail supérieures à 1 000 degrés. En utilisant une solution solide et un traitement de vieillissement, la résistance au fluage et la limite d'élasticité en compression peuvent être considérablement améliorées. À l'heure actuelle, sur la base de l'analyse des superalliages utilisés dans des environnements à haute température, la portée de l'utilisation de superalliages à base de nickel dépasse de loin l'utilisation de superalliages à base de fer et de cobalt. Dans le même temps, l'alliage haute température à base de nickel est également l'alliage haute température avec la plus grande production et la plus grande utilisation dans mon pays. De nombreuses aubes de turbine et chambres de combustion de turbomachines, et même des turbocompresseurs, utilisent également des alliages à base de nickel comme matériaux de préparation. Depuis plus d’un demi-siècle, les capacités à haute température des matériaux à haute température utilisés dans les moteurs aérospatiaux sont passées de 750 degrés à la fin des années 1940 à 1 200 degrés à la fin des années 1990. Il faut dire que cette énorme amélioration a également entraîné des améliorations dans les procédés de coulée, les revêtements de surface, etc. Un développement rapide.

(3) Alliage haute température à base de cobalt

Les alliages à haute température à base de cobalt utilisent le cobalt comme matrice et la teneur en cobalt représente environ 60 %. Dans le même temps, des éléments tels que Cr et Ni doivent être ajoutés pour améliorer la résistance thermique de l'alliage à haute température. Bien que cet alliage à haute température ait une meilleure résistance à la chaleur, en raison de divers pays, la production de ressources de cobalt est relativement faible et le traitement est difficile, donc la quantité n'est pas importante. Il est généralement utilisé dans des conditions de température élevée (600 ~ 1 000 degrés) et dans des pièces à haute température soumises à des contraintes complexes extrêmes pendant une longue période, telles que les pales de travail des moteurs d'avion, les disques de turbine, les composants chauds des chambres de combustion et moteurs aérospatiaux. Afin d'obtenir une meilleure résistance à la chaleur, dans des conditions normales, des éléments tels que W, MO, Ti, Al et Co doivent être ajoutés lors de la préparation pour garantir sa résistance thermique et sa résistance à la fatigue supérieures.

Selon le type de renforcement de l'alliage, les alliages à haute température peuvent être divisés en alliages à haute température renforcés par une solution solide et en alliages renforcés par précipitation par vieillissement.

(1) Type renforcé par solution solide

Le type de renforcement dit en solution solide consiste à ajouter des éléments d'alliage aux alliages à haute température à base de fer, de nickel ou de cobalt pour former une structure austénitique monophasée. Les atomes de soluté déforment le réseau matriciel de la solution solide, ce qui augmente la résistance au glissement dans la solution solide et la renforce. Certains atomes de soluté peuvent réduire l'énergie de défaut d'empilement du système d'alliage, augmenter la tendance à la décomposition par dislocation, rendre le glissement croisé difficile et renforcer l'alliage pour atteindre l'objectif de renforcer les alliages à haute température.

(2) Renforcement des précipitations vieillissantes

Le renforcement dit par précipitation de vieillissement est un processus de traitement thermique dans lequel la pièce en alliage subit un traitement en solution solide, une déformation plastique à froid et est placée à une température plus élevée ou à température ambiante pour conserver ses propriétés. Par exemple : l'alliage GH4169 a une limite d'élasticité maximale de 1 000 MPa à 650 degrés et la température de l'alliage pour la fabrication des lames peut atteindre 950 degrés.

Divisé par méthodes de formation de matériaux : alliages coulés à haute température (y compris les alliages de coulée ordinaires, les alliages monocristallins, les alliages directionnels, etc.), les alliages déformés à haute température et les alliages à haute température de métallurgie des poudres (y compris la métallurgie des poudres ordinaire et la dispersion d'oxydes). alliages renforcés à haute température).

(1) Alliage de coulée à haute température

Les matériaux d'alliage qui utilisent des méthodes de coulée pour préparer directement les pièces sont appelés alliages coulés à haute température. Selon la composition de la matrice d'alliage, il peut être divisé en trois types : superalliage de coulée à base de fer, superalliage de coulée à base de nickel et superalliage de coulée à base de diamant. Selon la méthode de cristallisation, il peut être divisé en quatre types : superalliage coulé polycristallin, superalliage coulé à solidification directionnelle, superalliage coulé eutectique directionnel et superalliage coulé monocristallin.

(2) Alliage déformé à haute température

C’est toujours le matériau le plus couramment utilisé dans les moteurs aérospatiaux et il est largement utilisé dans le pays et à l’étranger. La production annuelle de superalliages déformés de la Chine représente environ 1/8 de celle des États-Unis [2]. En prenant l'alliage GH4169 comme exemple, il s'agit de la principale variété avec le plus d'applications au pays et à l'étranger. Dans mon pays, les boulons, les compresseurs et les roues, ainsi que les carters d'huile des turbomoteurs sont principalement utilisés comme pièces principales. À mesure que d’autres produits en alliage deviennent de plus en plus matures, une déformation se produit à des températures élevées. L’utilisation des alliages pourrait progressivement diminuer mais restera dominante dans les décennies à venir.

(3) Nouvel alliage haute température

Y compris les alliages à haute température en poudre, les composés intermétalliques titane-aluminium, les alliages à haute température renforcés par dispersion d'oxyde, les alliages à haute température résistant à la corrosion, la métallurgie des poudres et les nanomatériaux et d'autres segments de produits.

①Le degré d'alliage de la troisième génération de superalliages en poudre a été amélioré, lui permettant de prendre en compte les avantages des deux premières générations et d'obtenir une résistance plus élevée et des dommages moindres. Le processus de production de superalliages en poudre devient de plus en plus mature. À l'avenir, il pourrait être développé sous les aspects suivants : Préparation de poudre, processus de traitement thermique, technologie de simulation informatique, disque de poudre à double performance ;

②Les composés intermétalliques titane-aluminium ont été développés jusqu'à la quatrième génération et se développent progressivement dans les deux directions des micro-éléments multi-éléments et des micro-éléments à grands éléments. L'Université de Hambourg en Allemagne, l'Université de Kyoto au Japon et le Centre GKSS en Allemagne ont tous mené des recherches approfondies sur le titane. Les composés intermétalliques d'aluminium sont désormais utilisés dans les domaines de la construction navale, du biomédical et des articles de sport ;

③Les superalliages renforcés par dispersion d'oxyde font partie des superalliages en poudre. Il existe près de 20 types en cours de production et de développement. Ils ont une résistance élevée aux températures élevées et de faibles coefficients de contrainte et sont largement utilisés dans les composants résistants à la chaleur et anti-oxydation des turbines à gaz, des moteurs aérospatiaux avancés, etc. Réacteur pétrochimique, etc.

④Les alliages haute température résistant à la corrosion sont principalement utilisés pour remplacer les matériaux réfractaires et l'acier résistant à la chaleur dans les domaines de la construction et de l'aérospatiale.

Plaque en alliage à mémoire NiTi

Fil médical de nitinol