Un nouveau matériau pour aubes de turbines : le cotac 744

A new material for turbine blades : cotac 744

Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA)

Résumé

Le Cotac 744 est un matériau composite à fibres élaboré par solidification unidirectionnelle. Plus précisément, c'est un superalliage à base de nickel renforcé par une faible fraction volumique (6%) de fibres monocristallines de carbure de niobium.

Le renforcement par les fibres apporte un gain en fluage important sur les superalliages classiques notamment dans le domaine 900 - 1100° C. De plus, une caractéristique très originale de ce matériau réside dans le fait que des traitements thermiques après fluage permettent de restaurer à la fois les propriétés de fluage du matériau et les longueurs initiales des pièces grâce à un "effet de mémoire de longueur".

La présence des fibres apporte également un gain important en fatigue oligocyclique et en fatigue vibratoire.

Les phénomènes d'endommagement des fibres en cyclage thermique observés sur certaines nuances de la famille des Cotac ont été éliminés par le durcissement de la matrice. Ainsi, le Cotac 744 est insensible au cyclage thermique jusqu'à environ 1150° C.

Enfin, ce matériau présente une excellente stabilité structurale et une tenue à l'oxydation et à la corrosion satisfaisante.

Parallèlement à l'étude de ces alliages, l'ONERA a entrepris un programme de pré-développement visant à fabriquer dans l'immédiat des lopins prismatiques permettant l'usinage d'aubes de turbine pour essais sur moteur. A plus long terme, ce programme vise l'obtention directe d'aubes par des techniques dérivées de la fonderie de précision adaptées aux conditions particulières d'élaboration du Cotac 744.

Abstract

The Cotac 744 is a directionally solidified fibrous composite material. This nickel base superalloy is reinforced by a low volume fraction of niobium carbide whiskers. The fiber reinforcement procures a substantial increase in creep strenght, particularly in the temperature range 900 - 1100° C, over the conventional nickel base superalloys. Moreover, a highly original feature of this composite is that simple heat treatments, after creep, not only permit the recovery of its creep potential but also allow the restoration of the initial lengths of the components due to a "length memory phenomenon".

The presence of fibers also considerably improves the low and high cycle fatigue behaviour of Cotac 744. The fiber damaging during thermal cycling observed in some of the Cotac compositions was eliminated by hardening the matrix. Hence Cotac 744 is insensitive to thermal cycling up to approximately 1150° C. Finally this alloy possesses an excellent structural stability and a satisfactory corrosion and oxidation behaviour.

Parallel to the alloy development studies a pre-development programme has been initiated at ONERA. The immediate objective of this programme is to make prismatic cross-section bars out of which blades can be machined for ground based engine tests. The medium term objective being the directionnal solidification of real blades using techniques derived from investment casting.