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Certains matériaux de la famille des métaux sont connus sous le nom de supermatériaux ou superalliages. Ces matériaux présentent généralement des propriétés avancées. Par exemple, ils peuvent conserver leurs propriétés physiques à des températures plus élevées et sous des contraintes spécifiques.
L'un des meilleurs exemples de superalliages dans le monde des matériaux est celui des superalliages à base de nickel. Cet alliage possède des caractéristiques exceptionnelles qui le rendent meilleur que d'autres matériaux et superalliages, tels que les superalliages à base de fer et de cobalt. Outre la résistance aux températures élevées, ces alliages de nickel peuvent également résister à une forte corrosion et à des conditions de travail difficiles.
Cependant, les gens ont souvent besoin de savoir pourquoi les alliages à base de nickel sont appelés superalliages. La réponse réside simplement dans les propriétés remarquables des alliages de nickel. Néanmoins, cet article vous aidera à vous faire une idée claire de cette question.
Alors, sans plus attendre, plongeons dans le billet !
Que sont les alliages à base de nickel ?
Comme leur nom l'indique, les alliages à base de nickel sont principalement constitués de nickel et d'autres alliages. Ils sont réputés pour leur grande résistance à la corrosion et leur excellente résistance à haute température. En outre, ces alliages peuvent supporter la fatigue, le fluage et la résistance à la traction. En raison de ces caractéristiques, ils sont généralement appelés superalliages à base de nickel.
En outre, ils sont considérés comme parfaits pour les turbines, les échangeurs de chaleur et les applications des moteurs aéronautiques.
Source : Youtube
Production et traitement des superalliages à base de nickel
La production et le traitement des superalliages de nickel dépendent généralement de leur composition. Toutefois, la composition dépend de la quantité de matière utilisée. En général, deux ou jusqu'à dix éléments d'alliage peuvent être utilisés pour former des superalliages à base de nickel. Ces éléments représentent près de la moitié du poids total du superalliage.
Normalement, lorsque le nickel se combine avec des solutés tels que l'aluminium ou le titane, il en résulte la formation d'une microstructure d'équilibre composée de gamma-prime et de gamma. Cela garantit la résistance du superalliage sous l'influence d'une température élevée.
Les superalliages de nickel peuvent être fabriqués de différentes manières : en poudre, moulés ou corroyés. Ces superalliages renforcent la résistance du matériau par précipitation ou par traitement en solution solide. Le chrome, le molybdène, le cobalt, le niobium, le fer, le tungstène et le tantale sont généralement utilisés pour renforcer les solutions solides.
Quelles sont les caractéristiques des superalliages à base de nickel ?
Les caractéristiques suivantes correspondent à la fois aux superalliages et aux alliages de nickel. C'est pourquoi ces alliages sont considérés comme des superalliages. Voyons cela en détail !
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Haute résistance à la chaleur
Habituellement, les métaux perdent leur résistance lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées. Mais les superalliages de nickel ont la capacité de supporter des températures élevées, ce qui en fait actuellement les superalliages les plus utilisés. La raison en est que le nickel peut conserver la même structure (cubique à faces centrées) de la température ambiante à la température de fusion. La protection thermique inhérente aux superalliages préserve l'intégrité du matériau.
Généralement, la résistance à la chaleur élevée dépend de diverses compositions de nickel mélangées à des alliages à base de nickel. Par exemple, l'alliage de nickel Inconel 718 comprend 55% de nickel, 6% de fer, 21% de chrome et un faible pourcentage de manganèse, de carbone et de cuivre. Il offre une résistance exceptionnelle aux températures élevées et une protection contre l'oxydation et la corrosion. Par ailleurs, l'alliage de nickel Duranickel contient plus de 94% de nickel. Il possède d'excellentes propriétés élastiques jusqu'à 316°C et devient beaucoup plus robuste lorsqu'il est traité thermiquement.
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Une force exceptionnelle
La charge externe détermine la résistance d'un matériau qui lui est appliqué sans qu'il se déforme. Les superalliages à base de nickel peuvent présenter une résistance à la traction supérieure à 700 MPa et une limite d'élasticité de 275 MPa. Le plus souvent, ces alliages peuvent présenter une résistance élevée même à des températures extrêmes allant de 650 à 1000°C.
Il est surprenant de constater que certains superalliages à base de nickel présentent une limite d'élasticité allant jusqu'à 1125 MPa, ce qui est supérieur à la résistance du diamant. Il ne fait aucun doute qu'une résistance aussi exceptionnelle ne peut être attendue que des superalliages.
Dans l'application des disques et des turbines, la phase de ce superalliage contient du niobium ou du vanadium. L'utilisation de cette phase permet aux fabricants d'augmenter efficacement la résistance du matériau.
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Résistance à la corrosion
Dans des environnements tels que le milieu marin ou chimique, la corrosion et l'oxydation se produisent rapidement et endommagent les machines métalliques. Heureusement, les alliages de nickel ont une excellente résistance à un environnement corrosif et acide complexe, ce qui est encore une fois l'une des caractéristiques exceptionnelles des superalliages. Pour résister à la corrosion dans ces environnements, ces alliages contiennent principalement jusqu'à dix types d'éléments d'alliage.
En outre, l'élément nickel lui-même présente une excellente résistance à la corrosion caustique alcaline et à la corrosion sous contrainte des ions Cl. Cependant, l'ajout d'éléments de passivation dans les alliages à base de nickel forme des solutions solides avec une phase de substrat qui contribue à améliorer le potentiel de corrosion et la stabilité thermodynamique des matériaux. Par exemple, vous pouvez ajouter du cuivre (Cu), du chrome (Cr) et du molybdène (Mo) pour augmenter la résistance de l'alliage à la corrosion.
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Usinabilité
Les ingénieurs doivent rechercher des matériaux qui se prêtent facilement à l'usinage. À cet égard, les alliages à base de nickel ont une meilleure limite d'élasticité, une meilleure contrainte de cisaillement et une meilleure résistance aux températures élevées. Ils l'emportent donc sur les autres métaux en termes de soudabilité.
Voici quelques exemples célèbres d'alliages à base de nickel disponibles sur le marché :
- Alliage pour les industries chimiques : Inconel, Monel et Incoloy.
- Pour les alliages de résistance électrique : Alliage Incoloy 800, Resistohm et Brightray.
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Résistance aux environnements de travail difficiles
Les alliages de nickel peuvent résister à des conditions de travail sévères telles que les chambres à gaz de l'aérospatiale, les environnements acides, les composants structurels de l'énergie nucléaire, le pétrole et les industries marines. De plus, ils ne sont pas affectés par l'eau, l'air chaud et les solutions aqueuses particulières en raison de leur grande stabilité chimique.
En bref, la fabrication de superalliages peut résister efficacement à des conditions de haute pression, de haute température et de corrosion.
Quelques types d'alliages à base de nickel couramment utilisés
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Types d'alliages à base de nickel |
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Les types |
Définition | Applications |
Exemples |
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Alliages nickel-fer |
Le mélange de nickel et d'une certaine quantité de fer donne un alliage nickel-fer qui présente une très faible dilatation thermique dans des conditions extrêmes. | ● Matériel de mesure de précision
● Tiges thermostatiques ● Transformers ● Dispositifs de stockage de la mémoire ● Inducteurs |
● Invar 36
● Invar 42 |
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Alliages nickel-cuivre |
Comme l'alliage nickel-cuivre contient du cuivre, ce sont des matériaux très résistants à la corrosion, et l'absence de propriétés magnétiques les rend utilisables pour diverses applications. | ● Applications marines
● Systèmes de tuyauterie ● Vannes d'eau de mer ● Arbres de pompe |
● Monel 400
● Monel R405 ● Monel K500
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Alliages nickel-chrome |
Les alliages nickel-chrome se caractérisent par une résistance à haute température, une bonne résistance électrique et une excellente résistance à la corrosion à toutes les températures. | ● Appareils de chauffage à résistance électrique
● Grille-pain ● Autres éléments chauffants |
● René 41
● Ni70Cr30 |
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Alliages de nickel et de titane |
Les alliages de nickel et de titane sont réputés pour leur résistance à la déformation. Lorsque la forme originale de la pièce est déformée, elle se souvient de sa forme initiale et peut y être reconvertie à tout moment. | ● Récipients sous pression
● Produits de la tuyauterie ● Pompes et vannes ● Échangeurs de chaleur ● Vannes |
● Alliage B-2 |
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Alliages nickel-molybdène |
La présence de molybdène dans l'alliage nickel-molybdène assure une résistance chimique élevée aux acides réducteurs, tels que l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique et l'acide phosphorique. | ● Amortisseurs dans la construction | ● Nitinol |
Applications des superalliages à base de nickel
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Aérospatiale
Les alliages à haute teneur en chrome et à base de nickel, qui présentent une bonne résistance à la corrosion thermique et une structure stable, sont considérés comme les meilleurs pour la fabrication de navires et de turbines à gaz industrielles. Les avions, en particulier, sont des machines complexes qui nécessitent de nombreuses spécifications dans des conditions difficiles. Les ingénieurs aérospatiaux dépendent principalement des alliages à base de nickel pour concevoir des pièces qui peuvent faire face à des conditions environnementales difficiles. Ces alliages ont la capacité de résister à des conditions météorologiques extrêmes pour garantir une utilisation sûre.
Les turbines à gaz sont l'une des meilleures applications de l'industrie aérospatiale. Une turbine est un ventilateur qui tourne et utilise une source d'énergie pour produire de l'électricité, comme une éolienne. Le gaz sous pression génère l'énergie nécessaire pour faire tourner la turbine.
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Chambres de combustion
Les matériaux pour les chambres de combustion ont des exigences de résistance relativement faibles. Cependant, la résistance doit être maintenue jusqu'à des températures de fonctionnement de 1100 °C ou plus. En outre, la résistance à l'oxydation, ainsi que la résistance à la fatigue thermique et au flambage, sont les besoins les plus critiques.
Pour rendre la fabrication plus accessible, le matériau doit également présenter une bonne formabilité et une bonne soudabilité. C'est pourquoi les superalliages à base de nickel constituent le meilleur choix pour les chambres de combustion.
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Aubes de turbine
Le profil de l'aube de la turbine est soumis à une température comprise entre 650 et 980 °C et à une pression de 138 MPa. À 760 °C, le pied de l'aube fixé au disque subit des contraintes de traction de 276 à 552 MPa en dehors du trajet des gaz chauds. C'est pourquoi les matériaux des turbines doivent avoir une ductilité suffisante pour résister à la déformation par fluage. C'est pourquoi les alliages à base de nickel sont utilisés dans la fabrication des aubes de turbine, car leurs propriétés mécaniques peuvent être maintenues pendant une période prolongée.
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Turbines à vapeur
Les superalliages à base de nickel sont utilisés pour fabriquer les disques des turbines à vapeur. Les disques de turbine ont besoin d'une résistance élevée au fluage et à la traction pour la protection contre l'éclatement aux températures de fonctionnement du moyeu. Les températures de fonctionnement d'un disque de turbine à vapeur peuvent atteindre 760 °C. Cette température ne se produit que sur le bord extérieur, près de l'endroit où l'aube est fixée. En outre, les contraintes de fonctionnement causées par les charges centrifuges sont élevées au niveau de la jante. Elles augmentent vers le centre de ces composants rotatifs, dépassant 483MPa.
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Applications nucléaires
Les environnements des centrales nucléaires se caractérisent par des températures élevées et des niveaux de corrosion importants. Les barres de contrôle, les cœurs de réacteurs et d'autres composants sont fabriqués à partir d'alliages à base de nickel. L'industrie nucléaire peut donc tirer un grand profit de ce superalliage.
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Pièces de moteur
En raison de leur excellente résistance à la chaleur, les superalliages sont idéaux pour les applications génératrices de chaleur telles que les échangeurs de chaleur. En effet, les superalliages sont utilisés dans la fabrication de pièces de moteur. En outre, les accessoires pour les avions et les équipements aérospatiaux utilisent également des superalliages à base de nickel.
Conclusion
Vous avez enfin trouvé une réponse logique à votre question : pourquoi les alliages à base de nickel sont-ils des superalliages ? Les caractéristiques et les applications exceptionnelles du superalliage en font un superalliage parfait. En résumé, vous pouvez utiliser les superalliages à base de nickel lorsque des températures élevées, une résistance à la corrosion et une résistance mécanique sont requises. L'utilisation de ces alliages comme matériau de fabrication de vos produits aura un effet positif sur ces derniers.
