Superalliages monocristallins pour aubes de turbines

Caractérisation et optimisation de l’alliage CMSX-2

Single crystal superalloys for turbine blades

Characterization and optimization of CMSX-2 alloy

¹ Onera, Châtillon
² Turbomeca, Bordes - Bizanos
³ Cannon-Muskegon Corporation, USA

Résumé

Les travaux sur des superalliages monocristallins ont débuté à l’O.N.E.R.A. à la fin de l’année 80 sur un alliage d’origine américaine dénommé CMSX-2, mis au point par la Sté Cannon- Muskegon. L’étude détaillée de l’alliage CMSX-2 a permis de préciser l’influence des conditions d’élaboration et de traitements thermiques sur les caractéristiques mécaniques. Les conditions d’élaboration ont une forte influence sur les structures de solidification ; les espacements interdendritiques, les ségrégations et la microporosité en dépendent. D’autre part, les traitements thermiques de précipitation ont une influence primordiale sur la résistance au fluage de ce type d’alliages. Les traitements thermiques optimisés mis au point à l’O.N.E.R.A. augmentent les durées de vie en fluage d’un facteur deux par rapport aux traitements initialement préconisés. Ces traitements sont parfaitement compatibles avec les traitements de protection de surface contre l’oxydation et la corrosion. L’examen au microscope électronique des éprouvettes de fluage déformées a permis de mettre en évidence une relation entre la taille, la morphologie, la distribution des précipités V et le comportement en fluage des superalliages monocristallins.

La solidification monocristalline a été effectuée sur plusieurs coulées mères industrielles allant de 200 kg à environ 4 tonnes. La solidification monocristalline des aubes ne présente pas de difficultés d’élaboration sur le plan industriel. Le comportement en fatigue vibratoire et en fatigue oligocyclique a été également évalué en fonction des conditions d’élaboration. L’ensemble des résultats obtenus dans différents laboratoires (O.N.E.R.A., Turbomeca, Cannon-Muskegon) font de cet alliage un excellent candidat pour aubes de turbines modernes.

Abstract

The investigation of single crystal superalloys started at O.N.E.R.A. at the end of 1980 on the CMSX-2 alloy developed by Cannon-Muskegon Corporations, U.S.A. A detailed study of this alloy permitted to determine the effects of solidification conditions and heat treatments on its mechanical properties. The casting conditions determine the solidification structure in terms of interdendritic spacing, segregations and microporosity. On the other hand, the precipitation heat treatments have a strong influence on the creep strength of such alloys. In this respect, the O.N.E.R.A. optimized heat treatments were found to produce a two-fold improvement in stress-rupture lives over the previously recommended heat treatments. The O.N.E.R.A. heat treatments are perfectly compatible with the protective coating treatments against oxidation and corrosion. Transmission electron microscopy studies carried out on crept specimens clearly illustrated a relationship between the size, morphology and distribution of precipitates and the creep behaviour of single crystal superalloys.

Single crystals were cast from a variety of industrial master heats (200 kg to 4 ton heats). On an industrial basis, the casta- bility and foundry performance of CMSX-2 Single Crystal blades has turned out to be excellent. The high cycle and low cycle fatigue behaviour was also assessed as a function of solidification conditions. The various results obtained at different laboratories (Turbomeca, O.N.E.R.A., Cannon-Muskegon) show that the CMSX-2 alloy is an excellent candidate for advanced turbine blades in modern engines.