Microstructure development during isother mal brazing of ni/bni–2 couples

Métal de base no.2 :

Le MC2 Le MC2 est un superalliage monocristallin. Il est obtenu pour les procedes modernes a la cire perdu et la solidification dirigee. Sa composition est affichee dans le tableau 1.2. En eliminant les joints de grains les proprietes mecaniques d’un superalliage sont augmentees. Cela evite d’utiliser de renfonceurs du joints des grains tel que carbone, zirconium et bore. Microsctruc turalement le MC2 est forme d’une matrice de structure cubique a faces centrees γ qui contient une dispersion de precipites intermetalliques dur γ_. Les etudes de resistance au fluage montrent qu’elle augmente avec la fraction volumique de γ_. Cependant une condition en γ_ superieur a 80% le reduise. La fraction volumique de γ_ contenue dans le MC2 est 70%. La distribution chimique entre ces deux phases est la suivante : la phase γ contient le Cr, le Co, le Mo, et le W. Les plus favorables pour durcir la matrice sont le Mo et W. Aussi le Ta et Nb qui ne sont pas associes avec la phase gamma prime. La formation de borures avec le Cr ou Mo se produit de preference dans la phase gamma. Le Cr favorise la resistance a la corrosion. La phase γ_ est riche en elements tel que l’Al, le Ti, et le Ta, qui forment des particules de type Ni3(Al, Ta, Ti). Cet intermetallique a une bonne ductilite et une resistance mecanique elevee ainsi qui une bonne resistance a la corrosion a chaud. (Durand-Charre, 1997) (Reed, 2006).

Métal de base no.3 :

Le superalliage IN625 Les alliages de nickel font partie des alliages de haute resistance a la temperature, ils sont presents dans les turbines a gaz, echangeurs de chaleur et moteurs d’avions (dans les aubes, rotors, helices, etc.). L’Inconel 625 est un superalliage cree dans les annees 50 a l’epoque ou les superalliages etaient fortement allies avec du Cr. Il a surtout pour role d’offrir une forte resistance a la corrosion et accesoirement une bonne resistance a haute temperature. L’Inconel est allie avec un forte teneur en Mo. Cet element permet un leger durcissement par solution solide et ameliore avec le Cr la resistance aux atmospheres humides corrosives. Mo et Ni forment un alliage resistant a l’oxydation chimique. (Sims et al., 1987; Reed, 2006; Donachie et Donachie, 2002). Le Ti et l’Al sont connus pour former la phase γ’Ni3(Al, Ti) ici tres peu presente. Le Nb stabilise l’alliage et previent la corrosion intergranulaire. La phase stable γ__’Ni3Nb a une structure orthorhombique Ni3Nbδ, peut etre formee dans certaines conditions et favorise le durcissement a temperatures intermediaires, mais elle est instable a hautes temperatures. (Durand-Charre, 1997; Donachie et Donachie, 2002). L’alliage Inconel 625 est polycristallin, a grains macles de taille moyenne de 18 μm. La composition chimique de l’Inconel est indiquee dans le tableau 1.3. Afin d’assurer une bonne mouillabilite entre l’Inconel et la brasure, la surface de l’Inconel est, apres traitement, revetue d’une couche de Ni deposee par voie electrolytique. Differentes epaisseurs ont ete testees : 0 μm, 19 μm et 40 μm.

Métal d’apport unique : Brasure BNi-2 Le BNi-2 est une classification de la AWS, et fait partie des brasures a base de Ni. La composition chimique est indiquee dans le tableau 1.4. Le B et le Si jouent le role de depresseurs du point de fusion (MPD). La plage de brasage suggere d’apres American Welding est entre 1010 ˚C et 1177 ˚C. La brasure BNi-2 a ete choisi principalement parce que elle a une bonne compatibilite chimique avec les substrats de brasage (Ni et Inconel 625). C’est un des materiaux d’apport le plus utilise pour le brasage de superalliages. Elle presente un faible point de fusion et une bonne resistance a la corrosion particulierement a haute temperature. Couramment utilise pour le brasage d’equipements de l’industrie alimentaire, des pieces des moteurs d’avion, dans l’industrie nucleaire et pour le brasage des outillages. (AmericanWelding, 2007; Schwartz, 1987). Nous utilisons ici cette brasure sous forme de feuillard, d’un epaisseur de 50 μm. Le paragraphe §2.3 de l’article 1 traite en detail des phases formees lors de la solidification du B-Ni2 seul. La figure 1.4 montre le diagramme de phases du Ni et B dont le pourcentage de B contenant dans le materiau d’apport BNi-2, nous amene au coin gauche du diagramme ou la phase est Ni3B. La figure 1.5 nous montre la cristallographie pour cette et autres phases formees a partir du Ni et B. Le diagramme de phases Ni-B-Si est montre dans la Fig. 3.7.

Capillarité et mouillabilité

Le remplissage des joints se fait par capillarite avec le materiau d’apport liquide. Partant des besoins de braser des joints d’une faible separation (quelques dizaines de microns), garantir un remplissage total du joint et ses cavites est primordial dans la jonction de pieces. La capillarite est le phenomene par lequel la tension de surface attire le materiau d’apport a l’interieur du joint pour la formation du joint. Le contact materiau d’apport liquide – substrat peut entrainer des tensions surfaciques qui empechent la penetration du liquide fondu a l’interieur des joints. Or les impuretes et les oxydes sur la surface solide peuvent augmenter les tensions surfaciques. Dans la pratique, l’angle que forme une goutte du metal d’apport liquide sur le substrat solide, determine l’angle de mouillage θ, Figure 1.6. L’angle de mouillabilite est le resultat des energies de surface et forces cohesives entre le solide (S), le liquide (L) et le vapeur (ou vide, V ). L’equilibre des tensions superficielles γ est exprime par l’equation d’Young : γSV = γSL + γV L × cos θ (1.8) La force de capillarite FC depend de θ, tel que exprime dans l’equation 1.9, plus cet angle est faible mieux c’est. FC = ρ gW h = 2γLV cos θ, (1.9) ou ρ est la masse volumique de la brasure, g est l’acceleration de la gravite, W est la separation du joint, et h est hauteur d’equilibre. Dans la pratique on cherchera des angles θ inferieurs a 90˚. Un angle de mouillage ayant environ 10 a 40 ˚est considere comme optimal. (Schwartz, 1987; Nicholas, 1998; Jacobson et Humpston, 2005; American Welding, 2007).

La norme ASM 2675G suggere un ecart W compris entre 20 μm et 100 μm (SAE, 2002). La valeur de h attendue pour un liquide de nickel dans une separation W 100 μm est 460 mm. D’apres Nicholas (1998) le temps employe pour penetrer 10 mm est d’environ 0.0092s. Les preparatifs pour le brasage sont importants. Les impuretes et oxydes sont a eviter. Les impuretes sont facilement eliminees avec un nettoyage et manipulation soigne des surfaces a braser. L’utilisation de degraissants, decapants, d’oxydants est normalement conseille. Les abrasifs mecaniques, par exemple blansting peuvent etre utilises pour nettoyer les surfaces oxydees. (American Welding, 2007). Gale et Wallach 1990 ont fait une etude sur l’influence des oxydes du Ni dans le brasage, en brasant differentes types de brasures dont BNi-2. De ce travail on peut conclure que le BNi-2 ne forme pas des oxydes qui puissent provoques des soucis de mouillage.

Leurs experiences ont ete realisees sous une pression 7×10−5 mbar (5.3×10−5 torr) sans trouver des inconvenients. Des problemes de mouillage n’ont pas ete reportes pour le brasage avec du Ni. Par rapport a l’IN625 Lugscheider et al. 1982 a fait des brasages entre Inconel et BNi-2 sans reporter des problemes de mouillage mais il ne reporte pas des placages protectrices ni leur pression de brasage. Par contre (Arafin et al., 2007) cite un nicro blast et un placage fin de Ni dans les pieces d’Inconel. Ensuite elles ont ete brases sous une pression 1.33 mPa (10−5 torr). Dans le present travail des problemes d’oxydation, donc de mouillabilite, sont reportes apres brasage avec BNi-2 sous pression atmospherique. Pour contourner les problemes de mouillage un placage de Ni est effectue sur l’IN625. Le chapitre 5 traite en detail les consequences du placage dans les brasages des superalliages. Par la suite on decrit le placage de Ni employe dans cette these.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Principes du brasage isotherme
1.1.0.1 Cas du brasage binaire
1.1.0.2 Cas du brasage ternaire
1.1.0.3 Cas du TLP ternaire avec précipitation
1.1.1 Diffusion
1.2 Pratique du brasage isotherme
1.2.1 Les matériaux d’étude
1.2.1.1 Métal de base no.1 : Le nickel
1.2.1.2 Métal de base no.2 : Le MC2
1.2.1.3 Métal de base no.3 : Le superalliage IN625
1.2.1.4 Métal d’apport unique : Brasure BNi-2
1.2.2 Capillarité et mouillabilité
CHAPITRE 2ARTICLE 1 : MICROSTRUCTURE DEVELOPMENT DURING ISOTHER MAL BRAZING OF NI/BNI–2 COUPLES
2.1 Introduction
2.2 Materials and methods
2.3 Results and discussion
2.3.1 Complete melting/solidification process of BNi-2 alloy
2.3.1.1 Thermal cycle and microstructure evolution
2.3.1.2 Thermodynamic predictions
2.3.2 Diffusion brazing of Ni sample with BNi-2
2.3.2.1 General aspect of DTA curves
2.3.2.2 Microstructure of the brazing region
2.3.2.3 Phase identification
2.3.2.4 Quantitative analysis of the brazing kinetics
2.3.2.5 Mechanisms of isothermal brazing
2.4 Summary
2.5 Acknowledgments
CHAPITRE 3ARTICLE 2 : FIRST MELTING STAGES DURING ISOTHERMAL BRA ZING OF NI/BNI-2 COUPLES
3.1 Introduction
3.2 Materials and methods
3.3 Results
3.4 Discussion
3.5 Conclusions
CHAPITRE 4ARTICLE 3 : POTENTIAL AND LIMITATIONS OF MICROANALYSIS SEM TECHNIQUES TO CHARACTERIZE BORIDES IN BRAZED NI BASED SUPERALLOYS
4.1 Introduction
4.2 Experimental
4.2.1 Ni-based superalloy and brazing conditions
4.2.2 Methods for elemental quantitation and phase identification
4.2.2.1 Electron microprobe
4.2.2.2 Electron Dispersive Spectrometry (EDS)
4.2.2.3 Coupling Wavelength and Electron Dispersive Spectrometry
4.2.3 Electron Backscatter Diffraction analysis
4.3 EDS accuracy for the multi-element Ni-based matrix (Boron-free)
4.3.1 Microanalysis results on Boron-free regions
4.3.2 Discussion
4.4 Accuracy of the elemental analysis of borides
4.4.1 Special care linked to the quantitation of Boron
4.4.2 Boron quantitation : what is the best approach ?
4.4.3 Boron quantitation results
4.5 Contribution of coupled EBSD/EDS techniques for the identification of borides
4.6 Conclusions
CHAPITRE 5BRASAGE ISOTHERME DU SUPERALLIAGE INCONEL 625 PLAQUES AVEC DES FINES COUCHES DE NI ET BRASÉS AVEC BNI-2
5.1 Introduction
5.2 Matériaux et méthodes
5.2.1 Placage ou dépôt électrolytique de nickel
5.2.2 Méthode de brasage de l’IN625 plaqué
5.3 Résultats
5.3.1 Courbes de solidification DTA
5.3.2 Examen métallographique des échantillons plaqués et brasés
5.3.2.1 Profondeur de diffusion
5.3.2.2 Quantification des PL
5.3.3 Analyses chimique qualitative sur l’échantillon plaqué d’épaisseur 42 μm
5.3.4 Analyses chimique qualitative sur l’échantillon plaqué d’épaisseur 19 μm
5.3.5 Analyses chimique qualitative sur l’échantillon sans placage IN625
5.4 Discussion
5.5 Conclusions
CONCLUSION
ANNEXE I TREMPE EN COURS DE BRASAGE SOUS GRADIENT (TBG
BIBLIOGRAPHIE

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