Brasage des superalliages

Brasage des superalliages

(1) Les superalliages brasables se divisent en trois catégories : à base de nickel, à base de fer et à base de cobalt. Ils présentent de bonnes propriétés mécaniques, une résistance à l’oxydation et à la corrosion à haute température. L’alliage à base de nickel est le plus couramment utilisé en production.

Le superalliage contient davantage de chrome (Cr), et un film d'oxyde de Cr₂O₃, difficile à éliminer, se forme en surface lors du chauffage. Les superalliages à base de nickel contiennent de l'aluminium (Al) et du titane (Ti), qui s'oxydent facilement à chaud. Par conséquent, la prévention ou la réduction de l'oxydation des superalliages pendant le chauffage et l'élimination du film d'oxyde constituent le principal défi du brasage. Le borax ou l'acide borique présents dans le flux peuvent corroder le métal de base à la température de brasage ; le bore précipité après la réaction peut pénétrer dans le métal de base, entraînant une infiltration intergranulaire. Pour les alliages à base de nickel coulés à forte teneur en Al et Ti, le niveau de vide à chaud ne doit pas être inférieur à 10⁻² à 10⁻³ Pa pendant le brasage afin d'éviter l'oxydation de la surface de l'alliage lors du chauffage.

Pour les alliages à base de nickel renforcés par mise en solution et par précipitation, la température de brasage doit correspondre à la température de chauffage du traitement de mise en solution afin de garantir la dissolution complète des éléments d'alliage. Une température de brasage trop basse ne permet pas une dissolution complète ; une température trop élevée entraîne une croissance des grains du métal de base et les propriétés du matériau ne sont pas restaurées, même après traitement thermique. La température de mise en solution des alliages de base coulés étant élevée, une température de brasage trop élevée n'affecte généralement pas leurs propriétés.

Certains superalliages à base de nickel, notamment les alliages renforcés par précipitation, sont sujets à la fissuration sous contrainte. Avant le brasage, les contraintes formées lors du procédé doivent être totalement éliminées, et les contraintes thermiques doivent être minimisées pendant le brasage.

(2) Les alliages à base de nickel peuvent être brasés avec des matériaux à base d'argent, de cuivre pur, de nickel ou des brasures actives. Lorsque la température de travail du joint n'est pas élevée, les matériaux à base d'argent conviennent. Il existe de nombreuses brasures à base d'argent. Afin de réduire les contraintes internes lors du chauffage par brasage, il est préférable de choisir une brasure à bas point de fusion. Le flux Fb101 peut être utilisé pour le brasage avec un métal d'apport à base d'argent. Le flux Fb102 est utilisé pour le brasage des superalliages à durcissement structural à haute teneur en aluminium, auquel on ajoute 10 à 20 % de silicate de sodium ou de flux d'aluminium (tel que le Fb201). Lorsque la température de brasage dépasse 900 °C, le flux Fb105 doit être utilisé.

Lors du brasage sous vide ou sous atmosphère protectrice, le cuivre pur peut être utilisé comme métal d'apport. La température de brasage est de 1100 à 1150 °C et le joint ne présente pas de fissuration sous contrainte ; toutefois, la température de service ne doit pas dépasser 400 °C.

Le métal d'apport pour brasage à base de nickel est le plus couramment utilisé pour les superalliages en raison de ses excellentes performances à haute température et de l'absence de fissuration sous contrainte lors du brasage. Les principaux éléments d'alliage de la brasure à base de nickel sont le chrome (Cr), le silicium (Si) et le bore (B), et on y trouve également, en faible quantité, du fer (Fe), du tungstène (W), etc. Comparé au Ni-Cr-Si-B, le métal d'apport B-Ni68CrWB permet de réduire l'infiltration intergranulaire du bore dans le métal de base et d'augmenter l'intervalle de fusion. Il est utilisé pour le brasage de pièces soumises à de hautes températures et d'aubes de turbines. Cependant, la fluidité de la brasure contenant du tungstène est moindre et le contrôle de l'épaisseur du joint est plus difficile.

Le métal d'apport pour brasage par diffusion active ne contient pas de silicium et présente une excellente résistance à l'oxydation et à la vulcanisation. La température de brasage peut être sélectionnée entre 1150 °C et 1218 °C selon le type de brasure. Après brasage, un traitement de diffusion à 1066 °C permet d'obtenir un joint brasé aux propriétés identiques à celles du métal de base.

(3) Le brasage des alliages à base de nickel peut être réalisé sous atmosphère protectrice, sous vide ou par liaison en phase liquide transitoire. Avant le brasage, la surface doit être dégraissée et oxydée par polissage au papier de verre, à la meule de feutre, par dépoussiérage à l'acétone et par nettoyage chimique. Lors du choix des paramètres de brasage, il convient de veiller à ce que la température de chauffage ne soit pas trop élevée et que la durée de brasage soit courte afin d'éviter une réaction chimique importante entre le flux et le métal de base. Pour prévenir la fissuration du métal de base, les pièces étirées à froid doivent subir un traitement de relaxation des contraintes avant soudage, et la chaleur de soudage doit être aussi uniforme que possible. Pour les superalliages durcis par précipitation, les pièces doivent d'abord subir un traitement de mise en solution, puis être brasées à une température légèrement supérieure à celle du traitement de durcissement par vieillissement, et enfin subir un traitement de vieillissement.

1) Le brasage en four sous atmosphère protectrice exige un gaz de protection de haute pureté. Pour les superalliages dont les teneurs en Al et Ti sont inférieures à 0,5 %, le point de rosée doit être inférieur à -54 °C lors de l'utilisation d'hydrogène ou d'argon. Lorsque les teneurs en Al et Ti augmentent, la surface de l'alliage s'oxyde encore lors du chauffage. Les mesures suivantes doivent être prises : ajouter une petite quantité de flux (tel que FB105) et éliminer la couche d'oxyde avec ce flux ; déposer une couche de 0,025 à 0,038 mm d'épaisseur sur la surface des pièces ; pulvériser la brasure sur la surface du matériau à braser au préalable ; ajouter une petite quantité de flux gazeux, tel que le trifluorure de bore.

2) Le brasage sous vide est largement utilisé pour obtenir une meilleure protection et une qualité de brasage supérieure. Le tableau 15 présente les propriétés mécaniques des joints typiques en superalliage à base de nickel. Pour les superalliages dont les teneurs en w(Al) et w(Tl) sont inférieures à 4 %, il est préférable de déposer par électrolyse une couche de nickel de 0,01 à 0,015 mm en surface, même si le mouillage de la brasure peut être assuré sans prétraitement particulier. Lorsque w(Al) et w(Tl) dépassent 4 %, l'épaisseur du revêtement de nickel doit être de 0,02 à 0,03 mm. Un revêtement trop fin n'offre aucune protection, tandis qu'un revêtement trop épais réduit la résistance du joint. Les pièces à souder peuvent également être placées dans une enceinte de brasage sous vide. Cette enceinte doit être remplie d'un getter. Par exemple, le zirconium absorbe les gaz à haute température, ce qui permet de créer un vide local dans l'enceinte et d'empêcher ainsi l'oxydation de la surface de l'alliage.

Tableau 15 : Propriétés mécaniques des joints brasés sous vide de superalliages typiques à base de nickel

La microstructure et la résistance du joint brasé en superalliage varient en fonction de l'épaisseur du joint. Le traitement de diffusion post-brasage permet d'accroître encore la valeur maximale admissible de cet épaisseur. Prenons l'exemple de l'alliage Inconel : l'épaisseur maximale d'un joint brasé avec du β-Ni82CRSIB peut atteindre 90 µm après un traitement de diffusion à 1 000 °C pendant 1 heure. En revanche, pour les joints brasés avec du β-Ni71CRSIB, l'épaisseur maximale est d'environ 50 µm après le même traitement.

3) Assemblage par phase liquide transitoire : ce procédé utilise comme métal d'apport un alliage d'intercalaire (d'une épaisseur d'environ 2,5 à 100 µm) dont le point de fusion est inférieur à celui du métal de base. Sous une faible pression (0 à 0,007 MPa) et à une température appropriée (1100 à 1250 °C), l'alliage d'intercalaire fond et imprègne le métal de base. La diffusion rapide des éléments induit une solidification isotherme au niveau du joint, formant ainsi ce dernier. Cette méthode réduit considérablement les exigences de préparation des surfaces du métal de base et la pression de soudage. Les principaux paramètres de l'assemblage par phase liquide transitoire sont la pression, la température, le temps de maintien et la composition de l'alliage d'intercalaire. Une pression minimale est appliquée afin de maintenir un bon contact entre les surfaces à souder. La température et la durée de chauffage ont une incidence importante sur la qualité du joint. Si la liaison doit présenter une résistance équivalente à celle du métal de base sans altérer ses performances, il convient d'utiliser des paramètres de procédé de liaison à haute température (≥ 1150 °C) et longue durée (8 à 24 h). Si la qualité de la liaison est compromise ou si le métal de base ne supporte pas les hautes températures, il est nécessaire d'opter pour une température plus basse (1100 à 1150 °C) et une durée plus courte (1 à 8 h). La couche intermédiaire doit être composée de la même manière que le métal de base et enrichie de différents éléments réfrigérants, tels que B, Si, Mn, Nb, etc. Par exemple, l'alliage Udimet a pour composition Ni-15Cr-18,5Co-4,3Al-3,3Ti-5Mo, et la couche intermédiaire pour une liaison en phase liquide transitoire a pour composition B-Ni62,5Cr15Co15Mo5B2,5. Tous ces éléments peuvent abaisser au minimum la température de fusion des alliages NiCr ou NiCrCo, mais l'effet du bore est le plus marqué. De plus, sa vitesse de diffusion élevée permet une homogénéisation rapide de l'alliage intercouche et du métal de base.