
Les superalliages à base de cobalt sont une classe de matériaux métalliques hautes performances conçus pour maintenir une résistance mécanique, une stabilité de surface et une résistance à la corrosion exceptionnelles à des températures extrêmement élevées, dépassant souvent celles auxquelles les superalliages à base de nickel commencent à s'affaiblir. Ils constituent un matériau de base pour les composants critiques dans les environnements les plus exigeants, en particulier dans l'aérospatiale, les turbines à gaz industrielles et les implants médicaux.
Leurs performances supérieures proviennent d’une matrice cobalt-chrome renforcée et d’un volume élevé de particules de carbure dures et réfractaires.
Résistance exceptionnelle à haute température : les alliages de cobalt présentent des points de fusion plus élevés et une meilleure dureté à chaud et une meilleure résistance au fluage que les alliages de nickel à des températures supérieures à 1 000 °C (1 832 °F). Cela signifie qu’ils résistent au ramollissement et à la déformation sous contrainte à des températures proches du point de fusion.
Résistance exceptionnelle à l'usure et au grippage : Leur dureté inhérente, souvent renforcée par un réseau de carbures durs, offre une excellente résistance à l'usure abrasive, à l'usure adhésive (grippage) et au fretting. Cela les rend idéaux pour les applications résistantes à l’usure.
Excellente résistance à la corrosion à chaud et à l'oxydation : la teneur élevée en chrome (souvent supérieure à 20 %) forme une couche protectrice et adhérente d'oxyde de chrome (Cr₂O₃) qui résiste à la dégradation dans les atmosphères oxydantes et sulfurées.
Résistance supérieure à la fatigue thermique : ils peuvent résister à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement sans se fissurer, une propriété essentielle pour des composants tels que les aubes de turbine.
Les performances des superalliages de cobalt dépendent de plusieurs mécanismes clés :
Renforcement en solution solide : des éléments comme le tungstène (W) et le molybdène (Mo) se dissolvent dans la matrice de cobalt, empêchant le mouvement de dislocation.
Précipitation des carbures : La formation de carbures durs (par exemple, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, WC, TaC) dans toute la microstructure offre une immense résistance au fluage et à l'usure. La taille, le type et la répartition de ces carbures sont essentiels à la performance.
L'allotropie du cobalt : le cobalt subit une transformation de phase lors du chauffage, et cette caractéristique est exploitée pour améliorer les propriétés grâce à un traitement thermique et un traitement thermomécanique.
Les superalliages à base de cobalt sont indispensables dans les applications où la défaillance n'est pas une option.
Turbines aérospatiales et de production d'électricité : utilisées pour les composants fixes tels que :
Aubes de turbine et aubes directrices de buse : là où les températures de gaz les plus élevées sont rencontrées et où la résistance au fluage est primordiale.
Composants d'usure industrielle : La base des alliages Stellite™, utilisés pour :
Sièges et garnitures de vannes dans les vannes haute pression et haute température.
Fils et tiges de rechargement dur pour recouvrir les surfaces d'usure critiques des outils et des machines.
Manchons de pompe, arbres et couteaux de coupe.
Implants médicaux : utilisés dans les implants orthopédiques (en particulier pour les surfaces d'appui métal sur métal) en raison de leur excellente biocompatibilité, résistance à l'usure et résistance à la corrosion dans le corps humain.
Le tableau suivant résume les principales fonctionnalités pour un aperçu rapide :
| Caractéristique | Descriptif | Avantage |
| Élément de base | Cobalt (Co), à haute teneur en Chrome (Cr). | Fournit la matrice fondamentale pour les performances à haute température et la résistance à la corrosion. |
| Renforceurs clés | Tungstène (W), Molybdène (Mo) et Carbone (C) pour la formation de carbure. | Confère une résistance à haute température, une résistance au fluage et une résistance à l'usure. |
| Température de fonctionnement | Très élevé, excellant au-dessus de 1 000 °C (1 832 °F). | Permet des rendements et des performances moteur plus élevés dans des environnements extrêmes. |
| Propriétés clés | Dureté à chaud, résistance au fluage, résistance à l'usure et à la corrosion. | Une combinaison unique pour les conditions de service les plus sévères. |
| Formes courantes | Composants moulés, barres/plaques corroyées, poudre pour HIP, alliages de rechargement. | Fabrication polyvalente pour les pièces complexes de forme quasi nette et les revêtements de protection. |
| Industries primaires | Aérospatiale, production d'énergie, médical, chimique et pétrochimique. | Le matériau de choix où convergent températures extrêmes et usure. |
En résumé, Superalliages à base de cobalt sont des matériaux de niche mais critiques qui repoussent les limites de l’ingénierie à haute température. Bien que souvent plus chers et plus denses que les superalliages de nickel, leurs performances inégalées dans des domaines spécifiques (en particulier la résistance aux très hautes températures, la fatigue thermique et la résistance à l'usure) garantissent leur rôle vital dans les technologies de pointe.