Nimonic® – superalliages haute température

Caractéristiques des alliages Nimonic®

Nimonic® est une famille d'alliages à base de nickel haute température conçus pour résister simultanément à des températures élevées, des contraintes mécaniques, le fluage, l'oxydation et la corrosion à haute température . Ces alliages figurent parmi les matériaux les plus importants utilisés dans le développement des turbines, la production d'énergie et les équipements fonctionnant dans des conditions thermiques extrêmes. La plupart des alliages Nimonic sont principalement composés de nickel et de chrome . Selon la nuance, des ajouts de cobalt , de molybdène , de titane , d'aluminium , de fer , de carbone , de bore et d'autres éléments permettent de contrôler la structure et les propriétés du matériau. La forte teneur en nickel assure la stabilité de la matrice austénitique γ sur une large plage de températures, tandis que le chrome est le principal facteur de résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température. Dans de nombreux alliages Nimonic, l'ajout d'aluminium et de titane permet la formation de la phase γ′ – Ni₃ ₍ Al,Ti) – qui confère une très haute résistance mécanique et une excellente résistance au fluage à haute température. Cependant, tous les alliages Nimonic ne sont pas durcis de la même manière. Par exemple, le Nimonic 75 est principalement un alliage renforcé par solution solide, tandis que les Nimonic 80A, 90, 105, 115 et 263 utilisent le mécanisme de renforcement par précipitation à des degrés divers.

Pourquoi le Nimonic conserve-t-il sa résistance à haute température ?

Dans les matériaux de construction conventionnels, l'augmentation de la température entraîne une diminution rapide de la limite d'élasticité et de la résistance, ainsi qu'une augmentation de la sensibilité au fluage. Les superalliages Nimonic sont conçus pour ralentir considérablement ce processus. La matrice de nickel stable conserve sa structure austénitique sur une large plage de températures. Dans les alliages à durcissement structural, les fins précipités de phase γ′ entravent le mouvement des dislocations et limitent la déformation du matériau. Le cobalt et le molybdène peuvent renforcer davantage la matrice et améliorer les propriétés à haute température, tandis que les carbures, correctement contrôlés, influencent le comportement des joints de grains et la résistance au fluage. De ce fait, un Nimonic bien sélectionné peut supporter des charges pendant des périodes prolongées à des températures auxquelles les aciers de construction conventionnels et de nombreux aciers inoxydables perdent une part importante de leurs propriétés mécaniques.

résistance au fluage

L'une des propriétés les plus importantes des alliages Nimonic est leur résistance au fluage et à la rupture par fluage . Le fluage est la déformation lente et permanente d'un matériau sous charge constante à haute température. Ce phénomène est primordial dans les turbines à gaz, les moteurs d'avion, les équipements de production d'énergie et les installations industrielles fonctionnant en continu pendant des milliers d'heures. Par conséquent, l'adéquation d'un alliage Nimonic donné ne se limite pas à sa résistance à la traction mesurée à température ambiante. Dans de nombreuses applications, la résistance au fluage, le temps de rupture sous une contrainte et une température données, ainsi que la stabilité structurale après des milliers d'heures d'exposition thermique sont des critères bien plus importants.

Résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température

Le chrome présent dans les alliages Nimonic permet la formation d'une couche d'oxyde protectrice qui limite l'oxydation du matériau. L'aluminium joue également un rôle important dans certaines nuances. Ceci permet d'utiliser les alliages Nimonic au contact des gaz chauds et des atmosphères présentes dans les turbines, les moteurs, les fours et les installations industrielles. Cependant, la température maximale de résistance à l'oxydation ne doit pas être assimilée à la température maximale de fonctionnement d'un composant soumis à de fortes charges. Le matériau conserve une bonne résistance à l'oxydation superficielle à des températures où sa contrainte admissible est nettement inférieure. Par conséquent, le choix de l'alliage nécessite une analyse simultanée de la température, de la contrainte, de la durée de fonctionnement et de l'environnement.

Nimonic® 75 – alliage classique nickel-chrome

L'alliage Nimonic 75 (UNS N06075, W.Nr. 2.4630) est un alliage de base de la famille Nimonic. C'est un alliage nickel-chrome contenant des ajouts contrôlés de titane et de carbone, destiné principalement aux applications exigeant une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température, ainsi que des propriétés mécaniques adéquates à haute température. Contrairement aux alliages Nimonic 80A et Nimonic 90, l'alliage 75 n'est pas un superalliage classique à durcissement structural γ′. Ses propriétés proviennent principalement de la composition de sa matrice et de sa microstructure soigneusement contrôlée. Le Nimonic 75 se caractérise par une bonne usinabilité et une bonne soudabilité, ce qui explique son utilisation répandue pour la fabrication de composants en tôle, en bande et en tube. Parmi ses applications typiques, on peut citer les composants de turbines à gaz, les chambres de combustion, les conduits de gaz chauds, les composants de fours industriels, les équipements de traitement thermique et les composants d'installations à haute température.

Nimonic® 80A – alliage à durcissement structural

Le Nimonic 80A (UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 ) est un superalliage nickel-chrome durci par précipitation grâce à l'ajout de titane et d'aluminium. Un traitement thermique approprié permet la formation d'une phase γ′, ce qui accroît significativement la résistance mécanique et la tenue au fluage du matériau. Le Nimonic 80A allie une haute résistance à haute température à une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température. Ce matériau est utilisé dans des applications telles que les turbines à gaz, les moteurs à combustion interne, les composants de vannes, les fixations fortement sollicitées et autres composants fonctionnant sous des charges thermiques élevées.

Nimonic® 81 – haute résistance à l'oxydation

Le Nimonic 81 (UNS N07081, W.Nr. 2.4955) est un alliage nickel-chrome haute température dérivé du Nimonic 80A, mais à teneur en chrome accrue. Cette teneur plus élevée lui confère une résistance exceptionnelle à l'oxydation et à la corrosion à haute température. Cet alliage est conçu pour les applications où la résistance de surface aux gaz chauds est aussi importante que ses propriétés mécaniques. Il est notamment utilisé dans les composants de fours, les turbines à gaz, les équipements de traitement thermique et les installations industrielles fonctionnant à haute température.

Nimonic® 90 – haute résistance et résistance au fluage

Le Nimonic 90 (UNS N07090, W.Nr. 2.4632) est un superalliage nickel-chrome-cobalt à durcissement structural. Il contient une quantité importante de cobalt, ainsi que du titane et de l'aluminium, responsables de la formation de la phase γ′. La combinaison du durcissement structural et d'une composition de matrice adaptée lui confère une résistance mécanique élevée, une excellente résistance au fluage et à l'oxydation à haute température. Le Nimonic 90 est utilisé pour la fabrication de composants exigeant une résistance mécanique élevée lors d'un fonctionnement thermique prolongé, notamment les aubes et composants de turbines, les disques, les anneaux, les fixations et les composants d'équipements haute température.

Nimonic® 105 – un superalliage pour composants de turbines fortement sollicités

Le Nimonic 105 (UNS N13021) est un superalliage à base de nickel à haute résistance contenant des quantités importantes de cobalt, de chrome et de molybdène, ainsi que de l'aluminium et du titane. Ce matériau a été développé pour ses propriétés mécaniques élevées et sa résistance au fluage à haute température. La forte teneur en phase γ′ assure un durcissement structural très efficace. Le Nimonic 105 est principalement utilisé dans les composants de turbines à gaz fortement sollicités, notamment lorsque la résistance au fluage et la conservation à long terme des propriétés mécaniques sont requises.

Nimonic® 115 – un alliage de nickel à haute résistance

Le Nimonic 115 est un superalliage nickel-chrome-cobalt additionné de molybdène, d'aluminium et de titane. Il a été développé pour offrir une très haute résistance au fluage à haute température. Sa forte teneur en éléments formant la phase γ′ assure un durcissement structural important et une grande stabilité mécanique sous contrainte thermique prolongée. Cet alliage est principalement destiné aux composants exigeants des turbines à gaz et autres composants haute température fortement sollicités.

Nimonic® 263 – résistance et bonne soudabilité

Le Nimonic 263 (UNS N07263, W.Nr. 2.4650) est un superalliage nickel-cobalt-chrome à durcissement structural. Il a été développé pour offrir une combinaison optimale de résistance mécanique à haute température, de résistance à l'oxydation, de ductilité et de soudabilité. Comparé à certains superalliages γ′ à haute résistance, le Nimonic 263 présente une soudabilité améliorée et permet la fabrication de pièces de tôlerie complexes. De ce fait, il est utilisé, entre autres, dans les chambres de combustion, les composants de turbines à gaz, les systèmes d'échappement, les composants de systèmes de traitement des gaz chauds, ainsi que dans les structures aérospatiales et énergétiques.

Nimonic 75, 80A, 90 et 263 – Différences fondamentales

L'alliage Nimonic 75 est à privilégier pour les applications exigeant une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température, ainsi qu'une bonne aptitude à la mise en œuvre. L'alliage Nimonic 80A , à durcissement structural, offre des propriétés mécaniques et une résistance au fluage nettement supérieures. L'alliage Nimonic 90 , riche en cobalt, a été développé pour des applications à haute température encore plus exigeantes. L'alliage Nimonic 263 allie une haute résistance à haute température à une bonne ductilité et soudabilité, ce qui le rend particulièrement adapté aux structures soudées complexes. Ces nuances ne sont pas interchangeables. Le choix de l'alliage dépend de la température, des contraintes, de la durée de vie, de la résistance au fluage requise, du procédé de fabrication et des conditions environnementales.

Traitement thermique des alliages Nimonic®

Pour les alliages Nimonic à durcissement structural, un traitement thermique est indispensable pour obtenir les propriétés requises. Ce procédé peut comprendre une mise en solution et une ou plusieurs étapes de vieillissement. Durant le vieillissement, la formation et la distribution de la phase γ′ et des autres composants microstructuraux sont contrôlées. La température, la durée et la vitesse de refroidissement influent sur la taille des précipités, la structure des joints de grains, la résistance, la ductilité et la résistance au fluage. Par conséquent, les propriétés mécaniques des alliages Nimonic ne doivent pas être présentées sans préciser l'état du traitement thermique et la forme du produit.

Soudage des alliages Nimonic®

La soudabilité des alliages Nimonic dépend de leur nuance et de leur degré de trempe. Le Nimonic 75 se caractérise par une soudabilité relativement bonne. Les alliages à forte teneur en aluminium et en titane, ainsi qu'à teneur élevée en phase γ′, sont plus exigeants sur le plan technologique et peuvent présenter une plus grande susceptibilité à la fissuration lors du soudage ou d'un traitement thermique ultérieur. Le Nimonic 263 a été développé, entre autres, pour obtenir une bonne soudabilité tout en conservant des propriétés mécaniques élevées à haute température. Pour les structures critiques, la technologie de soudage doit tenir compte de l'état du matériau avant soudage, des paramètres de procédé, du métal d'apport et du traitement thermique post-soudage requis.

Usinage

Comme les autres superalliages à base de nickel, les matériaux Nimonic sont des alliages exigeants à usiner. Leur haute résistance, leur faible conductivité thermique et leur tendance à l'écrouissage imposent des contraintes importantes à l'outil. L'usinage des nuances après durcissement structural final peut s'avérer particulièrement complexe. C'est pourquoi certaines opérations mécaniques sont réalisées sur un matériau soigneusement sélectionné avant le vieillissement final. L'usinage requiert une configuration technologique rigoureuse, des outils adaptés, des paramètres de coupe stables et une évacuation efficace de la chaleur.

Applications typiques des alliages Nimonic®

Aéronautique – aubes et composants de turbines, anneaux, disques, chambres de combustion, composants de systèmes d'échappement et pièces de moteurs d'aéronefs fortement sollicitées. Énergie – turbines à gaz industrielles, pièces chaudes d'équipements énergétiques et composants fonctionnant sous charges thermiques soutenues. Automobile – soupapes de moteur, composants de turbocompresseurs et composants fonctionnant dans des flux de gaz chauds. Industrie des fours – composants de fours, équipements de traitement thermique, supports, couvercles et composants exposés à une oxydation prolongée. Industries chimiques et de procédés – composants d'installations nécessitant une résistance simultanée aux hautes températures et aux environnements agressifs. Technologie spatiale – composants de systèmes de propulsion et structures exposés à des températures élevées et à des charges mécaniques.

Choisir le bon alliage Nimonic®

Lors du choix d'une nuance de Nimonic, il est essentiel de déterminer non seulement la température maximale de fonctionnement, mais aussi la nature de la charge et la durée de vie requise. Un composant fonctionnant quelques minutes à très haute température exige des propriétés différentes de celles d'un composant de turbine fonctionnant des dizaines de milliers d'heures sous contrainte constante. La résistance au fluage, à la fatigue thermique et mécanique, à l'oxydation, à la corrosion à haute température, aux cycles thermiques et la soudabilité des joints doivent être prises en compte. Le traitement thermique et les exigences d'usinage ultérieures sont également importants. Par conséquent, il n'existe pas de « Nimonic idéal ». Des nuances spécifiques ont été développées pour différentes combinaisons de température, de contrainte, d'environnement et de technologie de fabrication des composants.

Modes de livraison des alliages Nimonic®

Selon la qualité et les spécifications, les alliages Nimonic sont disponibles notamment sous les formes suivantes :

feuilles et plaques,
bandes,
barres rondes,
fils,
tuyaux,
pièces forgées,
bagues,
matériaux destinés à un forgeage et à un traitement ultérieurs,
Produits semi-finis fabriqués selon des spécifications industrielles et aérospatiales spécifiques.

La disponibilité d'un produit sous une forme spécifique dépend de sa qualité, de sa taille, de son traitement thermique et de la norme de fabrication requise.

nuances d'alliage Nimonic®

Nimonic 75 / Alliage 75 – UNS N06075, W.Nr. 2.4630 – Alliage Ni-Cr avec une très bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température, utilisé, entre autres, dans les chambres de combustion et les dispositifs de traitement thermique.
Nimonic 80A / Alliage 80A – UNS N07080, W.Nr. 2.4952 / 2.4631 – alliage Ni-Cr-Ti-Al durci par précipitation avec une résistance et une résistance au fluage élevées.
Nimonic 81 / Alliage 81 – UNS N07081, W.Nr. 2.4955 – un alliage de nickel à haute teneur en chrome conçu pour les applications nécessitant une très haute résistance à l'oxydation et à la corrosion à haute température.
Nimonic 90 / Alliage 90 – UNS N07090, W.Nr. 2.4632 – alliage Ni-Cr-Co-Ti-Al à durcissement structural avec une résistance élevée au fluage et à l'oxydation.
Nimonic 105 / Alliage 105 – UNS N13021 – un superalliage Ni-Co-Cr-Mo-Al-Ti à haute résistance conçu principalement pour les composants de turbines fortement chargés.
Nimonic 115 / Alliage 115 – superalliage Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti à haute résistance avec une teneur élevée en phase γ′, conçu pour fonctionner sous des charges élevées à des températures élevées.
Nimonic 263 / Alliage 263 – UNS N07263, W.Nr. 2.4650 – un alliage Ni-Co-Cr-Mo-Ti-Al à durcissement par précipitation combinant une résistance élevée à haute température avec une bonne soudabilité et une bonne aptitude technologique.

Voir également

alliages de nickel

Inconel® – superalliages de nickel et de chrome

Alliages présentant une très haute résistance à l'oxydation et au fluage à haute température. Utilisés dans les industries de l'énergie, de l'aéronautique et de la chimie.
Qualités : Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – alliages de nickel, de fer et de chrome

Elles allient résistance à la corrosion et bonne stabilité structurelle. Elles sont particulièrement appréciées dans les industries chimiques et pétrochimiques.
Espèces: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – superalliages haute température

Les matériaux renforcés par précipitation utilisés dans l'aviation et les turbines à gaz se caractérisent par une résistance élevée au fluage et à la fatigue thermique.
Types : Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superalliages pour charges extrêmes

Utilisé dans les moteurs d'avions et dans l'industrie énergétique, où une résistance maximale au fluage et à la fatigue thermique est requise.
Espèces : Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® et nickel pur – résistance chimique et marine

Le Monel (alliages nickel-cuivre) et le nickel pur sont des matériaux résistants à l'eau de mer, aux acides et aux alcalis. Ils sont fréquemment utilisés dans les industries maritime, chimique et des équipements spécialisés.
Qualités : Monel 400, Monel K-500, Nickel 200, Nickel 201.

Alliages spéciaux – Invar®, Kovar®, Permalloy

Matériaux aux propriétés physiques uniques : faible coefficient de dilatation thermique, stabilité dimensionnelle ou perméabilité magnétique contrôlée. Utilisés en électronique, en optique et dans les instruments de précision.
Espèces : Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.

Hastelloy® / Haynes® – alliages résistants à la corrosion et aux hautes températures

Alliages à haute résistance aux environnements chimiques agressifs, à l'oxydation et au fluage. Utilisés dans les industries chimique, énergétique et aéronautique.
Grades : Hastelloy B-2, B-3, C-276, C-22, C-4, C-2000, G-30, G-35, X, N ; Haynes 214, 230, 242, 282, HR-160.