Les alliages à base de nickel sont une classe d'alliages qui possèdent une résistance élevée et une certaine résistance à l'oxydation et à la corrosion à des températures élevées de 650 à 1 000 ℃. Sur la base de leurs propriétés principales, les alliages à base de nickel peuvent être subdivisés en alliages à base de nickel résistants à la chaleur, en alliages à base de nickel résistant à la corrosion, en alliages à base de nickel résistant à l'usure, en alliages à base de nickel de précision et en alliages à base de nickel à mémoire de forme. Les alliages haute température sont classés en fonction de leurs matériaux de matrice en alliages haute température à base de fer, alliages haute température à base de nickel et alliages haute température à base de cobalt. Les alliages haute température à base de nickel sont généralement simplement appelés alliages à base de nickel.
Origine et développement
La recherche et le développement d’alliages à base de nickel ont débuté à la fin des années 1930. Le Royaume-Uni a produit pour la première fois le Nimonic 75 (Ni-20Cr-0,4Ti) en 1941. Pour améliorer la résistance au fluage, de l'aluminium a été ajouté, ce qui a donné naissance à l'alliage à base de nickel Nimonic 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al). Les États-Unis au milieu des années 40, l’Union soviétique à la fin des années 40 et la Chine au milieu des années 50 ont également développé successivement des alliages à base de nickel. Le développement d'alliages à base de nickel englobe deux aspects : l'amélioration de la composition des alliages et l'innovation dans la technologie de production. Par exemple, le développement de la technologie de fusion sous vide au début des années 1950 a créé les conditions nécessaires à la purification des alliages à base de nickel à haute teneur en aluminium et en titane, améliorant ainsi considérablement leur résistance et leur température de fonctionnement. À la fin des années 1950, l’augmentation de la température de fonctionnement des aubes de turbine a imposé des exigences plus élevées en matière de résistance à haute température des alliages. Cependant, la résistance élevée rendait la déformation difficile, voire impossible, ce qui a conduit au développement d'une série d'alliages de coulée présentant une bonne résistance à haute température grâce à une technologie de coulée de précision. Au milieu des années 1960, les performances des alliages à haute température à solidification directionnelle et monocristallins, ainsi que des alliages à haute température de métallurgie des poudres, ont été améliorées. Pour répondre aux besoins des turbines à gaz marines et industrielles, depuis les années 1960, une série d'alliages à base de nickel à haute teneur en chrome présentant une bonne résistance à la corrosion à haute température et des microstructures stables ont été développés. Du début des années 1940 à la fin des années 1970, sur une quarantaine d’années environ, la température de fonctionnement des alliages à base de nickel est passée de 700℃ à 1 100℃, soit une augmentation moyenne d’environ 10℃ par an. Aujourd’hui, la température de fonctionnement des alliages à base de nickel dépasse 1 100℃. De l'alliage Nimonic 75, initialement simple, à l'alliage MA6000 récemment développé, qui possède une résistance à la traction de 2 220 MPa et une limite d'élasticité de 192 MPa à 1 100 °C, sa résistance au fluage à 1 100 °C/137 MPa est d'environ 1 000 heures, ce qui le rend adapté aux pales de moteurs d'avion.
Le rôle de divers métaux dans les alliages à base de nickel
Pour un alliage spécifique à base de nickel, de nombreuses variables existent dans un environnement particulier, notamment : la concentration, la température, la ventilation, le débit de liquide (gaz), les impuretés, l'usure et les conditions de circulation. Ces variables peuvent conduire à divers problèmes de corrosion. Le nickel et d’autres éléments d’alliage peuvent résoudre ces problèmes. Le nickel métallique conserve une structure cubique austénitique à faces centrées avant d'atteindre son point de fusion. Cela offre une liberté pour la transition ductile-fragile et réduit considérablement les problèmes de fabrication causés par la coexistence d'autres métaux. Dans la séquence électrochimique, le nickel est plus inerte que le fer mais plus réactif que le cuivre. Ainsi, dans des environnements réducteurs, le nickel est plus résistant à la corrosion que le fer mais moins résistant à la corrosion que le cuivre. L'ajout de chrome au nickel confère à l'alliage une résistance à l'oxydation, ce qui donne lieu à une variété d'alliages présentant une excellente résistance à la corrosion dans les environnements réducteurs et oxydants. Comparés à l'acier inoxydable et à d'autres alliages à base de fer, les alliages à base de nickel peuvent accueillir une plus grande variété d'éléments d'alliage à l'état de solution solide tout en conservant une bonne stabilité métallurgique. Ces propriétés permettent l'ajout de divers éléments d'alliage aux alliages à base de nickel, permettant leur application généralisée dans une variété d'environnements corrosifs.
Les éléments communs dans les alliages à base de nickel comprennent :
Nickel (Ni) : assure la stabilité métallurgique, améliore la stabilité thermique et la soudabilité, améliore la résistance aux acides réducteurs et aux soudes caustiques et améliore la résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte, en particulier dans les environnements de chlorure et de soude caustique.
Chrome (Cr) : Améliore la résistance à l’oxydation, la résistance à l’oxydation à haute température, la résistance à la sulfuration et la résistance à la corrosion par piqûres et fissures.
Molybdène (Mo) : améliore la résistance à la corrosion acide, améliore la résistance aux piqûres et à la corrosion caverneuse dans les solutions aqueuses contenant du chlorure et augmente la résistance à haute température.
Fer (Fe) : améliore la résistance à la carburation à haute température, réduit les coûts d'alliage et contrôle la dilatation thermique. Cuivre (Cu) : Améliore la résistance à la corrosion acide réduite (notamment l’acide sulfurique).
