Dégradation de revêtements d’aluminure sur superalliages réels et modèles contenant du platine – ALUPLAT

Mots clefs: Oxydation, corrosion, traction et fluage hautes températures d’un superalliage et d’alliages modèle γ et γ'. Protection par revêtements de slurry.

Différentes variantes de TROPEA et du superalliage de référence (CMSX-4) et des alliages modèles (phases γ et γ′, NiCrAl) ont été oxydées, corrodées à chaud et testées mécaniquement afin de déceler l’amorçage de la défaillance en nous appuyant sur un suivi in situ par microscopie électronique.

Nous démontrons que l’amorçage de la défaillance se produit sur la phase γ' sous conditions de corrosion à chaud et de contrainte en lien avec sa teneur élevée en Ta et de son caractère intermétallique alors qu’en oxydation, cette phase permet de développer une couche d’oxyde protectrice. Dans les alliages réels une teneur plus élevée de Ta et moindre de Re conduit à une dégradation plus marquée. Le platine a un effet négatif en présence de SO₂, qu’il transforme en SO₃, augmentant ainsi la corrosion. En revanche, l’application des revêtements de diffusion d’aluminium ou d’aluminium/silicium réduisent fortement l’oxydation et la corrosion du TROPEA mais leur comportement mécanique devra être évalué.

Il est attendu que les futurs moteurs aéronautiques employant cet alliage revêtu soient plus performants abaissant ainsi la consommation de carburant et des émissions des gaz à effet de serre.

Les cinétiques d’oxydation sous air (850-1200°C) des matériaux réels (TROPEA et CMSX-4) et modèle (phases γ et γ′, NiCrAl conçus thermodynamiquement et coulés) ont été établies par thermogravimétrie et par microscopie électronique in situ afin de déceler la formation des couches d’oxyde selon la chimie des phases métallurgiques et les températures auxquelles les pièces de moteur sont exposées. Une transition entre les couches protectrices de Cr2O3 et d’Al2O3 se produit autour de 1000°C sans que le platine intervienne dans les mécanismes d’oxydation. En corrosion à chaud avec un dépôt de Na2SO4, le platine du substrat catalyse la transformation de SO2 en SO3 et aggrave la corrosion à chaud à 900°C, ce qui n’est pas le cas en absence de SO2. Que ce soit en oxydation ou en corrosion, une teneur en tantale élevée et basse en rhénium diminue la résistance des superalliages. Les suivis in situ par microscopie électronique de la réactivité des matériaux réels et modèle démontrent que l’amorçage de la dégradation dépend de la déformation du substrat et de la chimie locale, la phase γ′ étant moins protectrice que la phase γ. Le caractère intermétallique de la phase γ′ montre une plus faible tenue à la traction et au fluage à 950°C que la phase γ alors que la combinaison γ/γ′ l’augmente. L’aluminisation (Al et Al/Si) par barbotine selon différents traitements thermiques conduit à de revêtements de diffusion protecteurs contre l’oxydation et la corrosion aussi bien sur TROPEA que sur la référence CMSX-4 bien que le Pt n’exerce pas d’effet.

RESULTATS MAJEURS :

La dégradation chimique des variantes de TROPEA (nouveau superalliage à base nickel contenant du platine) se produit par effet des teneurs supérieures en tantale et inférieures en rhénium par rapport à l’alliage de référence (CMSX-4). Cela est aussi démontré sur des phases simplifiées γ et γ′ dont la couche d’Al2O3 de la dernière ne protège pas de la corrosion à chaud. γ′ est aussi fragile car possède un caractère intermétallique.

Cependant, les revêtements de diffusion d’Al et d’Al/Si limitent la dégradation chimique par formation des couches denses d’Al2O3 et le Si limite aussi la corrosion à chaud acide ce qui permettrait d’employer TROPEA sous atmosphères agressives comme celles des moteurs réels. Il apparait que l’effet positif attendu du platine est plutôt négatif en présence de SO2 dans l’atmosphère car la corrosion à chaud est accrue alors qu’il est inerte en absence de SO2 (avec ou sans dépôt de sel).

Les retombées de ces découvertes sont majeures dans la conception de nouveaux alliages pour les hautes températures et ont permis d’asseoir un partenariat solide et synergique des 4 laboratoires académiques impliqués au service de la science et de l’industrie.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES:

Cette étude souligne l'importance de la composition chimique des superalliages à base de nickel pour les aubes de turbines à gaz. Bien que le TROPEA présente de meilleures propriétés mécaniques grâce à sa microstructure stable à haute température par rapport à d'autres superalliages à base de nickel monocristallins, l'analyse détaillée de sa résistance aux conditions environnementales (oxydation et corrosion à chaud de type I) révèle l'impact significatif du type et de la teneur en éléments d'alliage dans la microstructure γ / γ′. Ces résultats soulignent la complexité des nombreuses interactions entre les matériaux et l'atmosphère et mettent en évidence le compromis à trouver lors de l'élaboration de ce type d'alliages.

Comme perspectives principales d’étude, il conviendrait de considérer aussi l’influence de la vapeur d’eau issue dans un moteur de combustion puisque celle-ci peut être particulièrement néfaste pour la formation des couches protectrices. Par ailleurs, le Na2SO4 est rarement la seule espèce corrosive et d'autres sulfates et chlorures peuvent également être présents dans les conditions de fonctionnement des moteurs qu’il conviendrait de considérer tout comme les cycles thermiques subis dans un moteur aéronautique. Enfin, il serait intéressant d'étudier le comportement du TROPEA dans des conditions de corrosion à chaud de type II puisque le pied de l’aube travaille à « basses températures ». Par ailleurs, les ajouts d’éléments d’alliage aux alliages modèles γ et γ′ pourrait permettre de mieux comprendre leur rôle dans la tenue environnementale.

Enfin, le point essentiel qui n’a pas pu être traité dans ALUPLAT, faute de disponibilité de matière, est le couplage mécanique-corrosion afin d’élucider les potentiels effets synergiques entre les états de contraintes et la réactivité de cette nouvelle classe de superalliages, avec ou sans revêtement.