Ⅰ. Introduction
Les superalliages sont des matériaux métalliques qui conservent une excellente résistance, une résistance à l'oxydation et à la corrosion à des températures élevées. Ils sont largement utilisés dans les moteurs d'avions, les turbines à gaz, les industries nucléaires et les équipements énergétiques. Cependant, leurs propriétés supérieures posent des défis importants à l'usinage. En particulier lors de l'utilisation de fraises en bout pour les opérations de fraisage, des problèmes tels que l'usure rapide des outils, les températures de coupe élevées et la mauvaise qualité de surface sont particulièrement importants. Cet article explore les problèmes courants rencontrés lors du fraisage en bout des superalliages et fournit des solutions correspondantes.
Ⅱ. Qu'est-ce qu'un superalliage ?
Les superalliages (ou alliages haute température) sont des matériaux métalliques qui conservent une résistance élevée et une résistance exceptionnelle à l'oxydation et à la corrosion dans des environnements à température élevée. Ils peuvent fonctionner de manière fiable sous des contraintes complexes dans des environnements oxydants et de corrosion gazeuse de 600°C à 1100°C. Les superalliages comprennent principalement des alliages à base de nickel, de cobalt et de fer et sont largement utilisés dans les industries aérospatiale, des turbines à gaz, de l'énergie nucléaire, de l'automobile et de la pétrochimie.
Ⅲ. Caractéristiques des superalliages
1.Haute résistance à des températures élevéesCapable de résister à des contraintes élevées pendant de longues périodes à des températures élevées sans déformation de fluage significative.
2.Excellente résistance à l'oxydation et à la corrosionMaintient la stabilité structurelle même lorsqu'il est exposé à l'air, aux gaz de combustion ou aux milieux chimiques à des températures élevées.
3.Bonne ténacité à la fatigue et à la ruptureCapable de résister aux cycles thermiques et aux chocs dans des environnements extrêmes.
4.Microstructure stablePrésente une bonne stabilité structurelle et résiste à la dégradation des performances lors d'une utilisation à haute température à long terme.
Ⅳ. Matériaux de superalliages typiques
1.Superalliages à base de nickelGrades courants à l'échelle internationale :
Caractéristiques et applications
Caractéristiques
Applications typiques
Inconel 718
Excellente résistance à haute température, bonne soudabilité
Moteurs d'avions, composants de réacteurs nucléaires
Inconel 625
Forte résistance à la corrosion, résistant à l'eau de mer et aux produits chimiques
Équipement marin, conteneurs chimiques
Inconel X-750
Forte résistance au fluage, adapté aux charges à haute température à long terme
Pièces de turbine, ressorts, fixations
Waspaloy
Maintient une résistance élevée à 700 – 870 °C
Aubes de turbine à gaz, composants d'étanchéité
Rene 41
Performances mécaniques supérieures à haute température
Chambres de combustion de moteurs à réaction, tuyères de sortie
2.Superalliages à base de cobalt
Grades courants à l'échelle internationale :
Caractéristiques et applications
Caractéristiques
Applications
Stellite 6
Excellente résistance à l'usure et à la corrosion à chaud
Vannes, surfaces d'étanchéité, outils de coupe
Haynes 188
Bonne résistance à l'oxydation et au fluage à haute température
Carter de turbine, pièces de chambre de combustion
Mar-M509
Forte résistance à la corrosion et à la fatigue thermique
Composants chauds des turbines à gaz
Grades chinois courants (avec équivalents internationaux) :
Caractéristiques et applications
Caractéristiques
Applications
K640
Équivalent à Stellite 6
Alliages de vannes, équipements thermiques
GH605
Similaire à Haynes 25
Missions spatiales habitées, turbines industrielles
3.Superalliages à base de fer
Caractéristiques :Faible coût, bonne usinabilité ; adapté aux environnements à température moyenne (≤ 700 °C).
Grades courants à l'échelle internationale :
Caractéristiques et applications
Caractéristiques
Applications
A-286 (UNS S66286)
Bonne résistance à haute température et soudabilité
Fixations de moteurs d'avions, composants de turbines à gaz
Alliage 800H/800HT
Excellente stabilité structurelle et résistance à la corrosion
Échangeurs de chaleur, générateurs de vapeur
Acier inoxydable 310S
Résistant à l'oxydation, faible coût
Tubes de four, systèmes d'échappement
Grades chinois courants (avec équivalents internationaux) :
Caractéristiques et applications
Équivalent international
Applications
1Cr18Ni9Ti
Similaire à l'acier inoxydable 304
Environnements généraux à haute température
GH2132
Équivalent à A-286
Boulons, joints, ressorts
4.Comparaison des superalliages à base de nickel, de cobalt et de fer
Type d'alliage
Plage de température de fonctionnement
Résistance
Résistance à la corrosion
Coût
Applications typiques
À base de nickel
≤ 1100 °C
★★★★★
★★★★★
Élevé
Aérospatiale, énergie, énergie nucléaire
À base de cobalt
≤ 1000 °C
★★★★
★★★★★
Relativement élevé
Industrie chimique, turbines à gaz
À base de fer
≤ 750 °C
★★★
★★★
Faible
Industrie générale, pièces structurelles
Ⅴ. Exemples d'applications des superalliages
Industrie
Composants d'application
Aérospatiale
Aubes de turbine, chambres de combustion, buses, bagues d'étanchéité
Équipement énergétique
Aubes de turbine à gaz, composants de réacteurs nucléaires
Industrie chimique
Réacteurs à haute température, échangeurs de chaleur, pompes et vannes résistantes à la corrosion
Forage pétrolier
Joints haute température et haute pression, outils de fond de trou
Industrie automobile
Composants de turbocompresseur, systèmes d'échappement haute performance
Ⅵ. Défis de l'usinage des superalliages
1. Haute résistance et dureté :
Les superalliages conservent une résistance élevée même à température ambiante (par exemple, la résistance à la traction de l'Inconel 718 dépasse 1000 MPa). Lors de l'usinage, ils ont tendance à former une couche écrouie (la dureté augmentant de 2 à 3 fois), ce qui augmente considérablement la résistance à la coupe lors des opérations ultérieures. Dans de telles conditions, l'usure de l'outil est exacerbée, les efforts de coupe fluctuent considérablement et l'écaillage du tranchant est plus susceptible de se produire.
2. Faible conductivité thermique et chaleur de coupe concentrée :
Les superalliages ont une faible conductivité thermique (par exemple, la conductivité thermique de l'Inconel 718 n'est que de 11,4 W/m·K, soit environ un tiers de celle de l'acier). La chaleur de coupe ne peut pas être dissipée rapidement et la température de la pointe de coupe peut dépasser 1000 °C. Cela ramollit le matériau de l'outil (en raison d'une dureté rouge insuffisante) et accélère l'usure par diffusion.
3. Écrouissage sévère :
La surface du matériau devient plus dure après l'usinage, ce qui intensifie encore l'usure de l'outil.
4. Haute ténacité et difficulté de contrôle des copeaux :
Les copeaux des superalliages sont très tenaces et ne se cassent pas facilement, formant souvent de longs copeaux qui peuvent s'enrouler autour de l'outil ou rayer la surface de la pièce. Cela affecte la stabilité du processus d'usinage et augmente l'usure de l'outil.
5. Réactivité chimique élevée :
Les alliages à base de nickel sont sujets aux réactions de diffusion avec les matériaux d'outils (tels que les carbures cémentés WC-Co), ce qui entraîne une usure par adhérence. Cela provoque l'usure du matériau de surface de l'outil, formant un cratère d'usure en forme de croissant.
Ⅶ. Problèmes courants lors du fraisage de superalliages avec des fraises en bout
1. Usure sévère de l'outil
• La dureté et la résistance élevées des superalliages entraînent une usure rapide des faces de dépouille et de coupe de la fraise en bout.
• Les températures de coupe élevées peuvent provoquer des fissures de fatigue thermique, une déformation plastique et une usure par diffusion dans l'outil.
2. Température de coupe excessive
• La faible conductivité thermique des superalliages signifie que la grande quantité de chaleur générée pendant la coupe ne peut pas être dissipée à temps.
• Cela entraîne une surchauffe localisée de l'outil, ce qui peut provoquer une brûlure ou un écaillage de l'outil dans les cas graves.
3. Écrouissage sévère
• Les superalliages sont sujets à l'écrouissage pendant l'usinage, la dureté de surface augmentant rapidement.
• Le passage de coupe suivant rencontre une surface plus dure, ce qui exacerbe l'usure de l'outil et augmente les efforts de coupe.
4. Efforts de coupe élevés et vibrations sévères
• La résistance élevée du matériau entraîne des efforts de coupe importants.
• Si la structure de l'outil n'est pas correctement conçue ou si l'outil n'est pas solidement serré, cela peut entraîner des vibrations d'usinage et du broutement, causant des dommages à l'outil ou une mauvaise finition de surface.
5. Adhérence de l'outil et arête rapportée
• À des températures élevées, le matériau a tendance à adhérer au tranchant de l'outil, formant une arête rapportée.
• Cela peut provoquer une coupe instable, des rayures de surface sur la pièce ou des dimensions imprécises.
6. Mauvaise qualité de surface usinée
• Les défauts de surface courants comprennent les bavures, les rayures, les points durs de surface et la décoloration dans la zone affectée par la chaleur.
• Une rugosité de surface élevée peut affecter la durée de vie de la pièce.
7. Durée de vie de l'outil courte et coûts d'usinage élevés
• L'effet combiné des problèmes ci-dessus entraîne une durée de vie de l'outil beaucoup plus courte par rapport à l'usinage de matériaux comme l'alliage d'aluminium ou l'acier à faible teneur en carbone.
• Le remplacement fréquent des outils, la faible efficacité d'usinage et les coûts d'usinage élevés en sont les conséquences. 8. Solutions et optimisation
Ⅷ. Recommandations de solutions et d'optimisation
1. Solutions pour l'usure sévère de l'outil :
1.1. Choisissez un matériau en carbure à grains ultrafins (carbure à grains submicroniques/ultrafins), qui offre une résistance à l'usure et une résistance à la rupture transversale supérieures.
*Le carbure cémenté à grains ultrafins est largement utilisé dans les moules, les outils de coupe, l'usinage de précision, les composants électroniques et d'autres domaines en raison de son excellente résistance à l'usure et de sa dureté élevée. La taille typique des grains de WC varie d'environ 0,2 à 0,6 µm. Selon les normes de différents pays et marques, les nuances couramment utilisées de carbure cémenté à grains ultrafins sont les suivantes :
A. Nuances de carbure cémenté à grains ultrafins courantes en Chine (par exemple, XTC, Zhuzhou Cemented Carbide, Jiangxi Rare Earth, Meirgute, etc.)
Caractéristiques et applications
K3130,4
6,0
Haute dureté, faible teneur en Co, adaptée à l'usinage de matériaux durs.
0,6
0,4-0,5
10,0
YG8X
0,6
0,4-0,5
K40UF
YG10X
0,6
0,4-0,5
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
ZK10UF
~0,5
10,0
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
TF08
0,5
D. Nuances américaines (Kennametal,Carbide USA)
K40UF
WF25
0,5
D. Nuances américaines (Kennametal,Carbide USA)
0,5
B. Nuances allemandes (par exemple, CERATIZIT, H.C. Starck, etc.)
Grade
Caractéristiques et applications
K3130,4
6,0
Haute dureté, faible teneur en Co, adaptée à l'usinage de matériaux durs.
8,0
0,6
K40UF
0,5
10,0
D. Nuances américaines (Kennametal,Carbide USA)
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
0,5
10,0
D. Nuances américaines (Kennametal,Carbide USA)
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
Grade
Taille des grains (µm)
Caractéristiques et applications
K3130,4
6,0
Haute dureté, faible teneur en Co, adaptée à l'usinage de matériaux durs.
Nuance ultrafine couramment utilisée par Sumitomo, adaptée aux fraises en bout de précision.
TF20
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
12,0
Nuance ultrafine haute ténacité de Mitsubishi, utilisée pour le fraisage de matériaux difficiles à usiner.
D. Nuances américaines (Kennametal,Carbide USA)
0,5
10,0
Utilisé pour les forets de petit diamètre, les outils PCB, etc.
D. Nuances américaines (Kennametal,Carbide USA)
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
Taille des grains (µm)
Teneur en Co (%)
Caractéristiques et applications
K3130,4
6,0
Haute dureté, faible teneur en Co, adaptée à l'usinage de matériaux durs.
KD10F
0,6
10,0
Nuance ultrafine polyvalente avec une excellente résistance à l'usure.
GU10F
0,4-0,5
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
Utilisé dans les applications nécessitant une qualité de surface élevée.
1.2. Optimiser la géométrie de l'outil, comme la réduction de l'angle de coupe et le maintien d'un angle de dépouille modéré, pour améliorer la résistance des arêtes.
1.3. Effectuer un rodage des arêtes pour éviter l'écaillage et la propagation des microfissures.
2. Solutions pour une température de coupe excessive :
2.1 Utiliser des revêtements résistants à la chaleur haute performance, tels que AlTiN, SiAlN ou nACo, capables de résister à des températures de coupe de 800 – 1000 °C.
2.2 Mettre en œuvre des systèmes de refroidissement haute pression (HPC) ou une lubrification à quantité minimale (MQL) pour éliminer rapidement la chaleur de coupe.
2.3 Réduire la vitesse de coupe (Vc) pour minimiser la génération de chaleur.
3. Solutions pour l'écrouissage sévère :
3.1 Augmenter l'avance par dent (fz) pour réduire le temps de séjour de l'outil dans la couche écrouie.
3.2 Opter pour des profondeurs de coupe plus petites (ap) et plusieurs passes pour éliminer progressivement la couche durcie.
3.3 Garder l'outil affûté pour éviter de couper avec une arête émoussée à travers la couche durcie.
4. Solutions pour les efforts de coupe élevés et les vibrations sévères :
4.1 Utiliser des outils à hélice variable et à pas variable (espacement inégal) pour réduire la résonance.
4.2 Minimiser la longueur de porte-à-faux de l'outil (maintenir le rapport L/D