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 élevées
Capable 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 corrosion
Maintient 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 rupture
Capable de résister aux cycles thermiques et aux chocs dans des environnements extrêmes.

4.Microstructure stable
Présente 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 nickel
Grades courants à l'échelle internationale :

2.Superalliages à base de cobalt

Grades courants à l'échelle internationale :

Grades chinois courants (avec équivalents internationaux) :

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 :

Grades chinois courants (avec équivalents internationaux) :

4.Comparaison des superalliages à base de nickel, de cobalt et de fer

Ⅴ. Exemples d'applications des superalliages

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.)

Grade

Taille des grains (µm)

Teneur en Co (%)

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

<4) pour améliorer la rigidité.

4.3 Optimiser la conception du montage pour améliorer la stabilité de la pièce.

4.4 Planifier judicieusement le trajet de coupe, en utilisant le fraisage périphérique au lieu du fraisage en bout chaque fois que possible.

5. Solutions pour l'adhérence de l'outil et l'arête rapportée :5.1 Sélectionner des revêtements avec de faibles coefficients de frottement (par exemple, TiB₂, DLC, nACo) pour réduire les tendances à l'adhérence.

5.2 Utiliser des fluides de coupe ou MQL pour améliorer la lubrification.

5.3 Maintenir des arêtes vives pour éviter le raclage et l'accumulation de chaleur causés par des outils émoussés.

6. Solutions pour une mauvaise qualité de surface usinée :

6.1 Optimiser les angles de dépouille et le traitement des arêtes pour améliorer la douceur de la coupe.

6.2 Réduire la vitesse d'avance pour minimiser les vibrations et les marques de coupe.

6.3 Utiliser des outils à meulage fin pour l'usinage de finition et envisager plusieurs passes : fraisage d'ébauche → fraisage de semi-finition → fraisage de finition.

6.4 Appliquer des fluides de coupe pour éviter la surchauffe locale et la décoloration par oxydation.

7. Solutions pour une durée de vie de l'outil courte et des coûts d'usinage élevés :

7.1 Mettre en œuvre les stratégies ci-dessus de manière globale pour prolonger la durée de vie de chaque outil.

7.2 Installer des systèmes de surveillance des outils (par exemple, changement d'outil automatique/détection de durée de vie) pour éviter la surutilisation.

7.3 Choisir des marques bien connues ou des outils revêtus de haute qualité pour améliorer la rentabilité globale.

7.4 Pour l'usinage en série de superalliages, il est recommandé d'utiliser des outils personnalisés pour optimiser l'efficacité et les coûts.

Ⅸ.

Paramètres de coupe recommandés

Exemple : Inconel 718

Élément de paramètre

ÉbaucheFinition

Diamètre de l'outil

Ces paramètres sont optimisés pour l'usinage de l'Inconel 718, compte tenu de ses propriétés matérielles difficiles telles que la résistance, la dureté et la tendance à l'écrouissage. Des ajustements peuvent être nécessaires en fonction des capacités spécifiques de la machine et des conditions de l'outil.

Ⅹ. Conclusion

Bien que difficile, l'usinage des superalliages est gérable avec une sélection d'outils et une optimisation des processus appropriées. Les fraises en bout jouent un rôle essentiel, et le succès dépend d'une combinaison de choix de matériaux, de géométrie, de revêtements, de refroidissement et de stratégie.

Pour les besoins d'outils personnalisés ou des solutions d'usinage de superalliages spécifiques, n'hésitez pas à nous contacter pour obtenir une assistance technique et des échantillons.