Principales différences dans l’usinage des différentes familles de superalliages

L’usinage des superalliages nécessite une compréhension nuancée du fait qu’il n’existe pas une seule catégorie de « superalliage », mais plutôt plusieurs familles distinctes — principalement à base de nickel, de cobalt et de fer-nickel — chacune possédant des caractéristiques métallurgiques uniques nécessitant des stratégies d’usinage spécifiques. Les différences les plus importantes proviennent de leur taux d’écrouissage, de leur conductivité thermique, de la présence de phases abrasives et de leur comportement à la chaleur, impactant directement le choix des outils, les paramètres de coupe et l’approche globale.

Différences fondamentales dans le comportement des matériaux

La distinction essentielle réside dans leurs mécanismes de renforcement et leur microstructure. Les superalliages à base de nickel, tels que les très utilisés Inconel 718 et Inconel 625, sont réputés pour leur résistance élevée et leur exceptionnelle résistance à l’oxydation et au fluage à haute température. Leur résistance provient d’une forte fraction volumique de précipités gamma prime (γ') ou gamma double prime (γ''). Cela les rend notoirement sujets à un écrouissage sévère pendant l’usinage. Tout temps d’arrêt ou une avance insuffisante peut instantanément durcir la surface, accélérant considérablement l’usure de l’outil. Par conséquent, leur usinage exige des coupes franches et agressives avec des outils à angle de coupe positif et un refroidissement haute pression pour pénétrer la zone de coupe et maîtriser la chaleur.

En revanche, les superalliages à base de cobalt, comme les différents alliages Stellite, tirent leur résistance d’une matrice cobalt-chrome renforcée par solution solide, avec un volume très élevé de carbures extrêmement durs. Bien qu’ils ne s’écrouissent pas aussi sévèrement que les alliages de nickel, ils sont extrêmement abrasifs. Le principal défi d’usinage réside dans la lutte contre l’usure abrasive causée par ces carbures, qui agissent comme des particules de meulage. Cela nécessite l’utilisation de matériaux d’outils très durs et résistants à l’abrasion, tels que des carbures micro-grain avec revêtements spécialisés, ou même des céramiques et du CBN (nitrure de bore cubique) pour certaines opérations. La stratégie passe alors de la gestion de l’écrouissage à la gestion de l’usure abrasive extrême.

Impacts opérationnels sur les outils et les paramètres

Ces différences de comportement dictent chaque aspect du processus d’usinage. Pour les alliages à base de nickel, l’accent est mis sur la gestion de la chaleur et la prévention de l’écrouissage. Cela conduit à l’utilisation de plaquettes en carbure tranchantes et polies avec substrats résistants et revêtements PVD, qui conservent un tranchant net. Les vitesses de coupe sont généralement maintenues faibles à modérées (par exemple 20–50 SFM pour l’ébauche), avec des avances constantes et contrôlées pour rester « en avance » sur l’écrouissage.

Pour les alliages à base de cobalt, la priorité des outils est la dureté maximale et la résistance à l’abrasion. Bien que des arêtes vives soient toujours importantes, le substrat et le revêtement doivent résister à l’abrasion constante. Le meulage CNC est souvent un procédé plus adapté que le fraisage ou le tournage pour obtenir les dimensions finales et les caractéristiques difficiles à usiner. Les vitesses peuvent être similaires ou même inférieures à celles des alliages de nickel, l’accent étant mis sur la durée de vie de l’outil plutôt que sur le taux d’enlèvement de matière.

Les superalliages fer-nickel (par exemple A-286) se situent souvent entre les deux mais sont généralement plus tolérants. Le choix d’un service d’usinage CNC de superalliages disposant d’une expérience documentée dans ces différentes familles est crucial, car une stratégie parfaite pour l’Inconel peut conduire à une défaillance rapide lors de l’usinage du Stellite.

Post-traitement et intégrité métallurgique

Les différences s’étendent au-delà du processus de coupe. Les contraintes résiduelles et l’intégrité de surface laissées par l’usinage varient considérablement. L’usinage agressif des alliages à base de nickel peut créer une couche de surface fortement écrouie et sous contrainte, nécessitant un traitement thermique pour l’usinage CNC afin de soulager les contraintes et de restaurer les propriétés du matériau. Pour les alliages à base de cobalt, le problème est moins lié à l’écrouissage qu’à la nécessité de garantir une surface exempte de microfissures provoquées par l’usure abrasive.

En outre, le choix d’un procédé de sablage pour les composants CNC doit être soigneusement évalué ; un traitement trop agressif sur une pièce mince en alliage de nickel pourrait induire une déformation plastique involontaire, tandis qu’il pourrait convenir parfaitement à un composant plus rigide à base de cobalt.