Optimisation des traitements thermiques dans les alliages de titane et de nickel pour pièces structurales de turboréacteurs aéronautiques

Heat treatment optimization in titanium and nickel base alloys for structural parts in aero turboengines

SNECMA, Recherche matériaux et procédés, Direction technique, Centre de Villaroche, 77550 Moisy Cramayel, France
e-mail : jean-yves.guedou@snecma.fr

Reçu : 8 Décembre 2009
Accepté : 19 Février 2010

Résumé

Les alliages de titane et de nickel occupent une place stratégique dans les turboréacteurs aéronautiques, puisqu’ils représentent 75 % de la masse du moteur et sont utilisés, en particulier, dans des pièces critiques très sollicitées mécaniquement comme les disques de compresseur et de turbine ou thermiquement comme les aubes de turbine. Pour répondre aux spécifications imposées sur ces pièces, les alliages de titane et de nickel ont fait l’objet d’optimisations au niveau de la composition chimique, tout d’abord, puis sous l’aspect traitement thermique dont le but est de favoriser les transformations de phases métallurgiques intéressantes pour assurer une bonne résistance mécanique jusqu’à des températures élevées. Dans les alliages de titane, les phases alpha hexagonale compacte et bêta cubique centrée sont présentes dans lesmicrostructures et leurs distributions, morphologies et taux respectifs sont pilotés dès les premiers traitements thermo-mécaniques, puis lors des traitements thermiques. Ils vont directement influer sur les propriétés mécaniques d’usage (ténacité, limite d’élasticité et contrainte à rupture en traction, amorçage de fissures de fatigue) et conditionner la tenue et durabilité des pièces sous sollicitations en service. Les alliages de nickel montrent classiquement une structure où coexistent une matrice de phase cubique à faces centrées gamma et des précipités durcissants de phase gamma’ de type intermétalliqueNi3 (AlTi) ou gamma”de type Ni3Nb pour les alliages riches en Nb comme l’INCO718, cohérents avec la phase gamma. Il est possible de faire varier considérablement les pourcentages, formes et dimensions des précipités gamma’ par mises en température puis maintiens suivis de refroidissements contrôlés. La résistance en traction et la tenue à chaud, en particulier en régime de fluage, en seront directement impactées. Des exemples d’application de traitements thermiquesseront décrits pour des disques forgés en alliage de titane ou nickel ainsi que pour des aubes coulées en alliage de nickel.

Abstract

Titanium and nickel base alloys are strategic materials in aero turboengines since they represent 75% of the engine weight. Moreover they are implemented in critical parts which sustain high mechanical loadings such as compressor discs or elevated temperatures such as turbine blades. To fulfill the resistance requirements in those parts, both titanium and nickel base alloys compositions have first been optimized. In a second step, heat tratments have been upgraded in order to enhance metallurgical phases transformations enabling to get high strength up to elevated temperature. In titanium base alloys, the HCP alpha phase and BCC beta phase are present together and their respective distributions, morphologies and ratios are monitored through the first thermo-mechanical treatments and the subsequent heat treatments. Those operations directly influence upon the characteristics of the alloys (toughness, tensile yield and rupture strengths, fatigue crack initiation lives ...) and consequently determine the durability of the parts in operating conditions. The nickel base alloys commonly exhibit microstructures in which a FCC gamma matrix contains hardening intermetallic phases, either gamma’(Ni3AlTi) or gamma”(Ni3Nb)such as in alloy718, which are coherent with the gamma matrix. It is possible to dramatically change the ratios, morphologies and sizes of the gamma’ precipitates through hold times at high temperature and subsequent controled cooling. The tensile and creep strengths are directly correlated to the obtained microstructures. Examples of heat treatments on forged discs in Ti or Ni base alloys will be presented as on cast blades in Ni base alloys.