Effet du soudage TIG sur la microstructure d’un superalliage à Base de Nickel (738 LC)
Saib Cherif
Laboratoire des matériaux et mécanique des structures Université de M’sila, BP:166, Ichebilia 28002
M’sila-Algérie Saib_cherif@yahoo.fr
Pr : Zakaria Boumerzoug
Laboratoire des matériaux Semonducteurs et métalliques Université Mohamed Khider
Bp:145 R.P. 07000 Biskra –Algérie Zboumerzoug@yahoo.fr
Résumé : Dans ce travail; l’effet de soudage TIG sur un superalliage à base Nickel a été étudié. Il est le procédé le plus utilisé dans la reparation des ailettes des turbine à gaz productrice de l’électricité.
Le superalliage 738 LC (polycrystallin) est utilisé courament dans la fabrication des ailettes des turbines a gaz. Il doit résister à des gradients de chaleur et de contraintes très importantes.
Dans cet ordre différentes méthodes de caractérisation structurale ont étaient utilisées: telles les observations microscopiques, DSC et DRX dans la caractérisation des pièces soudées.
Mots –Clés : Soudage TIG- Ni738 LC- ZAT-ZF.
I. INTRODUCTION :
Le soudage TIG (tungstein inert gaz) est un procédé d’assemblage le plus utilisé dans la réparation des ailettes des turbines à gaz.
Le superalliage Ni738LC (Low Carbon) à l’état ordinaire se trouve constitué des phases majoritaires : γ’phase CFC fragilisante au sein d’une matrice austénitique CFC désordonnée phase γ.
La précipitation de la phase γ’ intervient en phase solide, à partir d’une température appelée solvus de la phase γ’.
Il est connu que le joint de soudage de ce type d’alliage est toujours fasse à une fissuration à chaud causé par la présence de la phase γ’, ceci est dû aux traitements thermiques adéquats à respecter avant et après l’opération de soudage et le réglage des paramètres de soudage (débit de gaz d’argon, la vitesse de soudage, le courant employé, le métal d’apport …) tout cela fait que l’étude doit compromettre plusieurs domaines chimiques, thermiques et mécaniques.
Les transformations des phases et les traitements thermiques à adoptées dans le soudage des superalliages à base de Nickel ont fait l’objet de plusieurs etudes [1,2,3,5,7].
Dans cette étude, on va étudier la composition chimique du superalliage et du métal d’apport, faire subir un
traitement de trempe à cet superalliage et voir l’effet de traitement de mise en solution sur le superalliage.
Ensuite nous faisons la caractérisation du superalliage Ni 738 LC soudé par un superalliage Hastelloy X , ce dernier fait partie de la même famille.
II. PARTIE EXPÉRIMENTALE : 1. Analyse de composition :
L’analyse de composition chimique a été fait au centre de recherche et développement Electricité et gaz (CREDEG- Sonelgaz Algérie) donnant ainsi les compositions chimiques du superalliage Ni 738 LC et le métal d’apport Hastelloy X (voir Table .I. et figure.1.)
TABLE I. COMPOSITIONS CHIMIQUES
Fig .1. Analyse de composition par EDS.
1. Opération de soudage :
Les pièces rectangulaires en superalliage INC 738 LC , avaient les dimensions 60X10X3 mm soudés en V bout à bout à l’unité de chaudronnerie de l’entreprise Maintenance des Equipements Industriels ( M.E.I) de M’sila- Algérie par un tigiste homologué avec les conditions de soudage suivantes :
poste TIG de type Miller syncrowave 350 Lx : courant : 30 A, sous argon :8l/min , vitesse de soudage ≈ 0.5 mm/s [2].
L’opération de soudage a été effectué à chaud ; on avaient 2 variantes des pièces soudés l’une traité à une température =750°C, avant soudage un maintien de 3min à cette température (pré soudage) , après soudage (post soudage ) un maintien à 750°C pour 3 min puis refroidie directement.
l’autre non traité après soudage(post soudage ) c'est-à-dire chauffée à une température de 750°C, avant soudage (pré soudage) maintenue pour 3 min à cette température ,puis non maintenue après soudage (post soudage ) refroidie directement à l’air libre.
Le métal d’apport était des baguettes de type : Hastelloy X de diamètre : 1,5 mm.
Fig .2. les pieces soudées.
III. RÉSULTATS ET DISCUSSION :
III.1 Caractérisation du métal de base et métal d’apport : Les échantillons après polissage, ont subit un attaque chimique dit d’« Aqua regia » constitué de :
20 ml d’acide nitrique
60 ml d’acide chlorhydrique.
Pour une durée de 15 secondes.
Les observations microscopiques ont été faites par un microscope de type: Leica Microsystems belgium BVBA- DMLM et un Binoculaire : WILD M3C heerbrugg grossissements 6,4 et 10
1.1/ Caractérisation métallographique de l’échantillon INC 738 LC brut:
Fig .3. Structure de l’INC 738LC à l’état brut.
1.2/ Caractérisation métallographique de l’échantillon INC 738 LC trempé :
L’échantillon brut a subit un traitement de trempe à l’eau après un traitement de solution à 1120°C pour une durée de 2 heures sous argon à un débit de 2 l/h.
Fig .4. Structure de l’INC 738LC à l’état trempé . III.3 Caractérisation métallographique de l’échantillon
Hastelloy X métal d’apport :
Fig .5. Structure du metal d’apport Hastelloy X.
Les structures sont à grains coaxiaux de la phase γ et de fines particules de précipitation de γ’dans la matrice. On trouve aussi des particules dispersées de carbures dans la matrice et dans les joints de grains. Ce type de microstructure est commun pour les superalliages durcis par précipitation de la phase γ’[6].
III.2/ Caractérisation thermique des échantillons INC 738 LC bruts, trempés par dilatométrie[3] :
Les échantillons INC 738 LC bruts, trempés ont été étudié thermiquement avec un dilatomètre Netzsch Dil 402C sous argon à 2l/h avec les deux vitesses de chauffage suggérées : 15°C/min et 50°C/min.
Fig .6. diagramme de dilatation de l’INC 738LC à l’état brut.
Fig .7. diagramme de dilatation de l’INC 738LC à l’état brut.
Fig .8. diagramme de dilatation de l’INC 738LC à l’état trempé.
Fig .9. diagramme de dilatation de l’INC 738LC à l’état trempé.
On peut dire que lorsque le gradient de température augmente très rapidement y’a une élévation des températures de début de la phase γ’, préciptation et solvus .
Alors que les températures à l’état trempé sont basses par rapport à ceux de l’état brut.
III.4/ Caractérisation par diffraction à rayons X des échantillons INC 738 LC bruts, trempés :
La diffraction des rayons X à été faite sur un DRX de type : Siemens D5000 X-Ray Diffractometer,avec une vitesse de balayage était de 0.02°/s et intensité de :
1.790300 Å
Fig .10. DRX de l’INC 738LC à l’état brut.
Fig .11. DRX de l’INC 738LC à l’état trempé.
Les analyses par rayons X nous montre qu’après la trempe la phase δ se dissoud , il ne reste que la phase γ’.
VI/ Caractérisation des joints soudés –révéler les défauts macroscopique -:
Les pièces soudés ont faits l’objet d’un contrôle non destructif par ressuage après polissage et à l’aide d’un pulvérisateur DP-5 pendant 7 minutes après les pieces ont été lavés par un jet d’eau et séchées, ensuite nous avons appliqué le révélateur D100 pendant 2 minutes après cela, elles ont été lavés par un jet d’eau et séchées.
On a pu constater qu’il n’y’a pas aucun défaut visuelle sur les deux cotés des pièces soudés.
V/ Caractérisation métallographique des pièces soudés : V.1/ Caractérisation métallographique :
Les échantillons après polissage, ont subit un attaque chimique d’« Aqua regia », les observations microscopiques sont :
1 . Echantillon Soudé à 750°C sans maintien après le soudage :
Fig .12. l’INC 738LC soudés sans maintien après soudage.
Fig .13. l’INC 738LC soudés avec maintien après soudage.
La structure lamellaire des carbures de type MC et M23C6 (M désigne le Mo,W,Nb,Cr,Ta) et les borures se voit disparaitre après maitien post soudage.
V.CONCLUSION :
Ce travail représente une contribution à l’étude de l’effet du soudage TIG sur un superalliage à base Nickel (Ni738LC).
Les microstructures du métal de base traité ou non traité était étudié ainsi que celle du matériau d’apport.
Les températures de chauffage avant et après le soudage sont convenables pour ne pas avoir des fissures à chaud.
Les microstructures des matériaux soudés avec ou sans un traitement post soudage ont étaient mises en évidence.
Les microstructures après maintien post soudage laissent dire que les carbures lamellaires sont dispersés le long des joints des grains , ce traitement a permet la détention des contraintes induites par le procédé de soudage.
Acknowledgment
Nous tenons à remercier tous qui nous en soutenus de près ou de loin surtout Madame Pr Fabienne Delaunois pour avoir mis à notre disposition son service de métallurgie de l’université de Mons.
REFERENCES
[1] H.Yan et al. ,”Microstructure evolution of a new directinallysolidified Ni-Based superalloy after long_termaging at 950°C upto 1000h”in Transactions in Nanferrous Metals Society of China, 21 (2011)2199-2204.
[2] Q.Wang et al.” Effects of TIG Welding Parameters on Morphology and Mechanical Properties of Welded Joint of Ni- base Superalloy” in Procedia Engineering 10 (2011) 37–41.
[3] Simona Zla et al ., “Differential thermal analysis and phase analysis of Nickel based superalloy IN 738 LC” in Meat 2010- 18,-20.5.2010, Roznov pod Radhostem, Czech Republic,EU.
[4] Yann Danis et al.” An investigation on thermal, metallurgical and mechanical states in weld cracking of Inconel 738LC superalloy” in Materials and Design 31 (2010) 402–416.
[5] Zainul Huda “Metallurgical failure analysis for a blade failed in a gas-turbine engine of a power plant” in Materials and Design 30 (2009) 3121–3125.
[6] Yahmi youcef “ Elaboration et qualification d’une procedure de reparation par soudage TIG des aubes de turbine a gaz en superalliage à base Nickel-Inconel 738” these Magistèr UMBBoumerdès 2007.
[7] O.A. Ojo et al.” Contribution of constitutional liquation of gamma prime precipitate to weld HAZ cracking of cast Inconel 738 superalloy” in Scripta Materialia 50 (2004) 641–646.
