Élaboration et caractérisation de superalliages base chrome pour utilisation lors du fibrage centrifuge du verre à très haute température

Elaboration and characterization of new chromium-based superalloys for spinners devoted to high temperature glass fiberizing

• Auteur / Autrice : Élodie Conrath
• Direction : Patrice Berthod
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 02/02/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Ning Ji
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Héricher, Stéphane Mathieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Bonnet, Jean-Bernard Vogt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres de verre

Matériaux -- Effets des hautes températures

Microstructure (physique)

Fluage

Chrome -- Alliages

Alliages réfractaires

Mots clés libres

Superalliage de fonderie

Base chrome

Très haute température

Microstructure

Propriétés de fluage

Comportement en oxydation

Cast superalloy

Chromium based

Elevated temperature

Microstructure

Creep properties

Oxidation behaviour

Résumé

Le procédé industriel TEL permet de fabriquer de la laine de verre en fibrant du verre en fusion. La pièce principale de ce procédé est « l’assiette de fibrage », qui est soumise à de nombreuses contraintes en service (oxydation, corrosion, érosion et fluage). Elle est actuellement élaborée par fonderie et réalisée en superalliage base nickel ou base cobalt. Fibrer de nouveaux types de verre impliquant des températures de travail plus élevées nécessite un nouveau type de superalliage. Le chrome est un candidat idéal pour être l’élément principal d’une assiette de par sa haute température de fusion et de par la résistance qu’il apporte aux superalliages usuels contre l’oxydation et la corrosion grâce à la formation d'une couche de chromine continue à la surface des alliages. Durant ces travaux de doctorat, une centaine d'alliages base chrome de compositions différentes ont été réalisés par fonderie. La découpe de tels alliages a montré un fort manque de ductilité à température ambiante. Des tests de dureté à température ambiante, d'oxydation et de fluage à haute température ont été menés. Une caractérisation métallographique complète a été réalisée sur ces alliages (DRX, MEB, microsonde de Castaing) à l'état brut de coulée, après recuit isotherme et après oxydation isotherme. L’étude approfondie d’alliages simples a permis de découvrir des compositions permettant de régler le problème de fragilité. Les alliages ont ensuite été complexifiés avec l'ajout d'autres éléments, permettant alors de corriger certains problèmes inhérents à des alliages à base de chrome.

The TEL process is used to produce glass wool at very high temperature. The main piece of this process is the “spinner”, which is exposed, in service, to numerous operating constraints (oxidation, corrosion, erosion and creep). This spinner is currently made of cobalt- or nickel-based superalloys and is fabricated by casting. To fiberize new glasses or to increase the current maximal fiberizing temperature, a new type of superalloy is required. Chromium is an ideal candidate to be the principal element of a new superalloy because of its very high melting point and its ability to develop a chromia protective scale against oxidation and corrosion at high temperature, reason for which it is usually added to many classical superalloys. During this Ph.D work, the synthesis and the study of more than a hundred of chromium-based alloys with different chemical compositions was done by casting. These alloys are brittle at room temperature during their cutting. Laboratory tests of hardness at room temperature, oxidation and 3 points flexural creep at high temperature were performed. Metallographic characterisations were carried out (XRD, SEM, EPMA) on all alloys in their as-cast state, after isothermal annealing or isothermal oxidation. The detailed study of simple alloys permitted to discover some compositions removing the brittleness problem of these alloys. Then, the enrichment of the composition of the alloys by addition of new elements, allowed to correct some inherent problems of chromium-based alloys.