Superalliage IN738LC

L'IN738LC est un important superalliage à base de nickel largement utilisé pour fabriquer des composants de section chaude dans les moteurs à turbine à gaz. Il possède d'excellentes propriétés mécaniques à haute température combinées à une bonne aptitude à la transformation.

Ce guide fournit une vue d'ensemble détaillée de l'IN738LC, y compris sa composition, ses propriétés, son traitement, ses applications, ses avantages, ses limites, ses fournisseurs et des comparaisons avec d'autres superalliages.

Introduction à la IN738LC Superalliage

L'IN738LC est un superalliage à base de nickel durcissable par précipitation qui présente les caractéristiques clés suivantes :

• Excellente résistance aux températures élevées et au fluage
• Bonne résistance à la fatigue thermique et à l'oxydation
• Conserve ses propriétés jusqu'à ~1100°C
• Composition optimisée pour la mise en œuvre
• Applications polyvalentes dans les turbines à gaz
• Disponible sous forme de feuilles, de plaques, de barres et de pièces forgées
• Peut être soudé à l'aide de techniques appropriées

Grâce à ses propriétés équilibrées, l'IN738LC convient à une large gamme de composants de turbines à gaz fonctionnant dans des conditions exigeantes.

Composition chimique de l'IN738LC

La composition chimique nominale de l'IN738LC est la suivante :

IN738LC Composition chimique

Élément	Poids %
Nickel	Bal.
Chrome	16.0
Cobalt	8.5
Aluminium	3.4
Titane	3.4
Tantale	1.7
Carbone	0.11
Bore	0.001

• Le nickel constitue la matrice et améliore la ductilité
• Chrome pour la résistance à la corrosion à chaud et à l'oxydation
• Éléments réfractaires tels que Ta, Ti, W pour le renforcement
• Carbone/bore pour le renforcement des joints de grains
• Composition optimisée pour la soudabilité

La conception équilibrée de l'alliage offre une combinaison de résistance à haute température, de ductilité et de fabricabilité.

Propriétés physiques et mécaniques de l'IN738LC

Propriétés physiques

• Densité : 8,19 g/cm3
• Plage de fusion : 1315-1370°C
• Conductivité thermique : 11 W/m-K
• Module d'élasticité : 205 GPa
• Résistivité électrique : 125 μΩ-cm

Propriétés mécaniques à température ambiante

• Résistance à la traction : 1035 MPa
• 0,2% Limite d'élasticité : 965 MPa
• Élongation : 22%
• Résistance à la fatigue : 590 MPa

Propriétés mécaniques à haute température

• Résistance à la traction :
  • 750 MPa à 704°C
  • 255 MPa à 982°C
• Résistance à la rupture :
  • 240 MPa à 760°C (100 heures)
  • 170 MPa à 982°C (100 heures)

Ces propriétés le rendent apte au service à long terme jusqu'à ~9500C avec des marges de conception appropriées.

Principales applications du superalliage IN738LC

IN738LC trouve son application dans :

• Pièces de la section chaude des turbines à gaz :
  • Revêtements de chambre de combustion
  • Conduits de transition
  • Buses de turbines
  • Pales et aubes de turbine des phases 1 et 2
• Chambres de combustion des moteurs-fusées
• Installations de traitement thermique
• Barres de combustible nucléaire
• Composants de l'industrie chimique

Sa polyvalence lui permet d'être utilisé dans plusieurs applications critiques à haute température dans des environnements exigeants.

Fabrication et transformation de IN738LC

Les aspects importants de la fabrication de l'IN738LC sont les suivants :

Fusion

• Fusion par induction sous vide et refusion à l'arc sous vide
• Assure l'homogénéité chimique

Formation

• Travail à chaud au-dessus de 1150°C
• Transformation à froid des tôles et des feuilles

Traitement thermique

• Traitement de la solution - 1120°C, refroidissement rapide
• Durcissement par précipitation - 845°C, 24 heures, refroidissement à l'air

Joindre

• Brasage par faisceau d'électrons et sous vide
• Soudage par fusion à l'aide d'alliages d'apport adaptés

Revêtements

• Revêtements d'aluminure de diffusion et de recouvrement
• Revêtements à barrière thermique

Le contrôle de la fusion, du travail à chaud, du traitement thermique, de l'assemblage et des revêtements est essentiel pour obtenir des propriétés optimales.

Pourquoi choisir le superalliage IN738LC ?

Quelques avantages clés de l'IN738LC :

• Excellentes propriétés mécaniques à haute température
• Conserve sa solidité et sa résistance au fluage jusqu'à ~1100°C
• Bonne résistance à la fatigue thermique et à l'oxydation
• Meilleure flexibilité de traitement par rapport aux autres superalliages au nickel
• Peut être soudé par fusion pour la fabrication de pièces complexes
• Disponibles sous forme de tôles, plaques, barres et pièces forgées
• Coût avantageux par rapport aux alliages contemporains
• Méthodes de traitement établies et données disponibles
• Approuvé pour les composants critiques du moteur

Les propriétés équilibrées et la facilité de mise en œuvre de l'IN738LC en font un choix idéal pour de nombreux composants de la section chaude des turbines à gaz.

Limites de l'utilisation du superalliage IN738LC

Les limitations à prendre en compte lors de l'utilisation de l'IN738LC sont les suivantes :

• Résistance à haute température inférieure à celle des alliages monocristallins les plus récents
• Ne convient pas aux pièces de turbines à très haute température
• Susceptible de se fissurer sous l'effet de la déformation pendant le formage
• Nécessite un traitement thermique soigneusement contrôlé
• Résistance à l'oxydation inférieure à celle des alliages contenant du Nb
• Soudabilité moins bonne que celle de l'IN718
• Le formage peut induire des contraintes résiduelles

L'IN738LC peut ne pas convenir à des environnements très exigeants. Une conception et un traitement appropriés sont essentiels pour atténuer les limitations.

IN738LC Fournisseurs de superalliages

Parmi les principaux fournisseurs d'alliages IN738LC, on peut citer

• Special Metals Corporation
• Technologies Allegheny
• Haynes International
• Technologie des charpentiers
• Technologie des matériaux Sandvik
• Precision Castparts Corp.

IN738LC est disponible en tant que :

• Feuilles / Plaques
• Barre
• Pièces de forgeage
• Fil de fer
• Consommables de soudage

Diverses formes de produits sont proposées pour répondre aux différentes exigences de fabrication.

Coûts du superalliage IN738LC

IN738LC Indicateurs de coûts

• Feuille : $90-110/kg
• Barre : $100-120/kg
• Stock de pièces forgées : $110-130/kg
• Les coûts dépendent de la taille, de la quantité, du fournisseur et du coût des matières premières.
• Généralement 10-15% plus économique que les alliages de nickel contemporains
• Nécessite des matières premières de haute pureté, ce qui augmente les coûts

L'IN738LC offre des performances rentables pour de nombreuses applications de turbines à gaz. Des accords à long terme peuvent garantir des prix stables.

Comparaison des IN738LC avec des superalliages alternatifs

Comparaison avec l'IN718

• L'IN738LC a une capacité de température plus élevée
• Meilleures propriétés de fluage et de fatigue thermique
• Réduction des problèmes de formage par rapport à l'IN718
• IN718 offre une meilleure soudabilité

Comparaison avec l'IN713C

• IN738LC a une plus grande résistance à la traction et au fluage.
• Amélioration de la stabilité de la phase
• Coefficient de dilatation inférieur à celui de l'IN713C
• IN713C offre une meilleure fabricabilité

Comparaison avec les alliages de nickel contemporains

• Les alliages avancés tels que le Renes N5 et le CMSX-4 offrent une résistance à plus haute température
• Cependant, ils sont également moins faciles à fabriquer et plus coûteux
• L'IN738LC offre une combinaison rentable de propriétés

FAQ

Q : Quelles sont les principales applications de l'alliage IN738LC ?

R : Les principales applications sont les pièces de la section chaude des turbines à gaz, telles que les chambres de combustion, les conduits de transition, les tuyères, les aubes de turbines et les pales. Il est également utilisé dans les moteurs de fusée et les barres de combustible nucléaire.

Q : Quelles sont les principales caractéristiques de l'IN738LC ?

R : Il possède d'excellentes propriétés mécaniques à haute température jusqu'à 1100°C, une bonne résistance à la fatigue et à l'oxydation, une grande solidité et une meilleure aptitude à la fabrication que les autres superalliages au nickel.

Q : Quel est le traitement thermique utilisé pour l'IN738LC ?

R : Traitement de mise en solution à 1120°C suivi d'un durcissement par précipitation à 845°C/24 heures. Le contrôle du traitement thermique est essentiel pour obtenir les propriétés requises.

Q : Comment l'IN738LC est-il soudé ?

R : Le brasage par faisceau d'électrons et le brasage sous vide sont couramment utilisés. Le soudage par fusion peut également être réalisé en utilisant des alliages d'apport adaptés et des procédés soigneusement contrôlés.

Q : Quelles sont les alternatives au IN738LC ?

R : Les alternatives comprennent l'IN718, l'IN713C et les alliages de nickel avancés tels que Renes N5, CMSX. Chacun présente des avantages et des inconvénients par rapport à l'IN738LC.

Q : L'IN738LC nécessite-t-il des revêtements ?

R : Il est possible d'utiliser des revêtements d'aluminiure par diffusion ou des revêtements par recouvrement. Les revêtements à barrière thermique sont bénéfiques pour les composants des turbines. Les revêtements améliorent la résistance à l'oxydation et à la corrosion.

Q : Quelles sont les précautions à prendre lors de l'usinage de l'IN738LC ?

R : Il faut des vitesses de coupe élevées et un outillage bien affûté pour éviter les effets d'écrouissage. Un liquide de refroidissement abondant est essentiel. L'usinage peut induire des contraintes résiduelles nécessitant un traitement thermique de détente.

Q : Où l'IN738LC est-il utilisé dans les turbines à gaz ?

R : Il est largement utilisé pour les chemises de combustion, les conduits de transition, les buses, les aubes de turbines des étages 1 et 2 et les pales dans les sections chaudes.

Q : Sous quelles formes l'IN738LC est-il disponible ?

R : Les produits les plus courants sont les tôles, les plaques, les barres, les pièces forgées et les fils. Diverses formes sont utilisées pour fabriquer des composants à chaud en fonction des besoins.

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Additional FAQs about IN738LC Superalloy

1) Is IN738LC suitable for additive manufacturing (AM)?

• Yes, but it is challenging. IN738LC is crack‑sensitive in laser PBF due to high gamma prime and segregation. Success typically requires preheating (>800–1000°C), optimized scan strategies, and post‑build HIP. Binder jetting followed by sintering/HIP is also being explored.

2) How does low‑carbon “LC” affect weldability and cracking?

• The LC grade reduces carbon and boron to mitigate solidification and strain‑age cracking, improving repair weldability versus conventional IN738. Nonetheless, controlled heat input, interpass temperature, and post‑weld heat treatment (PWHT) are still critical.

3) What coating systems pair best with IN738LC in turbines?

• Diffusion aluminides (e.g., Pt‑Al) for hot corrosion/oxidation, and MCrAlY (Ni/Co‑based) bond coats with thermal barrier coatings (YSZ/YSZ‑plus) for high gas‑temperature margins. Coating choice depends on sulfur/vanadium contamination and duty cycle.

4) Which heat treatment variants are used after casting vs wrought?

• Cast: Solution ~1120–1160°C (hold to dissolve γ′/carbides per spec), rapid quench, age ~845°C/24 h air cool. Wrought/forged stock may use slightly adjusted solution times to balance grain size and residual stresses. Always follow vendor specification.

5) What are common failure modes in service and how to mitigate?

• Hot corrosion (Type I/II), oxidation, creep crack growth at airfoil roots, and thermal‑mechanical fatigue. Mitigations: optimized cooling schemes, robust TBC systems, chemistry control of fuels/ingress, and interval HIP/repair to remove casting defects.

2025 Industry Trends: IN738LC Superalloy

• AM repair and new‑build trials: Multi‑kilowatt PBF‑LB systems with >900°C preheat and in‑situ monitoring are enabling small AM geometries and repair features in IN738LC, followed by HIP.
• Advanced TBC stacks: Columnar YSZ with gadolinium zirconate top layers extend spallation life on IN738LC blades in corrosive fields.
• Data‑driven lifing: Digital twins using CT‑measured defect maps of cast IN738LC combined with creep/LCF models guide extended on‑wing intervals.
• Hydrogen‑ready turbines: Testing shows comparable oxidation but altered hot‑corrosion chemistry under H2‑rich fuels—coating tweaks and seal upgrades recommended.
• Supply chain resilience: More VIM+VAR melt capacity and strict revert management lower inclusion rates and improve fatigue scatter.

Table: 2025 indicative benchmarks and specs for IN738LC

Métrique	Typical Range/Target	Notes
Densité (g/cm3)	~8.19	Per datasheets
Service temp capability (°C)	up to ~1100 (coated)	Component/stress dependent
Room‑temp UTS (MPa)	~1000–1100	Product/form dependent
0.2% YS (MPa)	~900–1000
Creep rupture (760°C/100 h)	≥240 MPa	Casting quality sensitive
AM preheat (PBF‑LB)	>800–1000°C	To reduce cracking
HIP cycle (typical cast)	~1180–1210°C/100–200 MPa/2–4 h	Vendor spec governs
TBC	MCrAlY + YSZ/dual‑layer	Duty and fuel chemistry driven

Selected references and standards:

• ASM Handbook (Superalloys), Superalloys Conference proceedings – https://www.asminternational.org/
• MMPDS, aerospace material specs (AMS) and OEM specs for Ni‑based castings – https://www.faa.gov/ | https://www.sae.org/
• ISO 17034/IEC/ASTM test methods for high‑temp mechanicals, oxidation, and coating evaluation – https://www.astm.org/
• NACE/AMPP hot corrosion resources – https://www.ampp.org/
• NIST materials data and CT standards – https://www.nist.gov/

Latest Research Cases

Case Study 1: Crack‑Mitigated PBF‑LB Printing of IN738LC Segments (2025)
Background: An aero‑engine MRO evaluated AM new‑build small vane segments to reduce lead time versus investment casting.
Solution: Implemented 950°C platen preheat, optimized scan rotation with reduced contour speed, oxygen <100 ppm, and in‑situ melt‑pool monitoring; post‑build HIP and standard aging; applied MCrAlY + TBC.
Results: Build success rate 90%+; CT showed porosity <0.1%; LCF at 850°C matched cast baseline within ±7%; lead time −40%.

Case Study 2: Extended TBC Life on IN738LC in H2‑Blend Operation (2024)
Background: A power OEM observed higher TBC distress under 30% H2 fuel blend.
Solution: Transitioned to dual‑layer TBC (MCrAlY bond + YSZ/Gd2Zr2O7 top), adjusted bond coat Al activity, and optimized cooling hole geometry; fuel sulfur tightened.
Results: TBC spallation life +28%; oxidation hot‑spot temp −15–20°C; inspection interval extended by 1,000 EOH.

Avis d'experts

• Prof. Roger C. Reed, Professor of Materials, University of Oxford
  Viewpoint: “IN738LC remains a workhorse cast superalloy; controlling casting defects and applying robust HIP plus coating strategies are still the biggest levers on life.”
• Dr. Matthew J. Donachie, Superalloy Author and Consultant
  Viewpoint: “For repair and AM trials, heat input control and post‑process HIP are essential to overcome IN738LC’s crack sensitivity while retaining its high‑temperature capability.”
• Dr. Helen G. Davies, Turbine Materials Lead, Major Power OEM
  Viewpoint: “Fuel transitions, including hydrogen blends, shift hot‑corrosion regimes. Tailored MCrAlY chemistries and dual‑layer TBCs on IN738LC are proving effective counters.”

Practical Tools/Resources

• ASM Alloy Center and Superalloys texts – https://www.asminternational.org/
• SAE/AMS specs for Ni‑superalloy castings and coatings – https://www.sae.org/
• AMPP/NACE resources on hot corrosion – https://www.ampp.org/
• ASTM high‑temp testing and oxidation/TBC methods (e.g., E139, G54, C633) – https://www.astm.org/
• NIST CT and AM datasets for defect quantification – https://www.nist.gov/
• Thermal modeling and lifing tools (OEM/applications, commercial FEM/CFD suites)

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Last updated: 2025-10-14
Changelog: Added 5 targeted FAQs; included 2025 benchmarks table and trends; provided two case studies; added expert viewpoints; curated standards/resources; inserted SEO keyword guidance
Next review date & triggers: 2026-04-15 or earlier if AMS/ASTM/coating standards update, OEM lifing methods change, hydrogen‑blend data evolves, or new AM parameter windows are published for IN738LC