Quels traitements thermiques sont requis après l’usinage des composants en superalliage ?

Le traitement thermique des composants en superalliage après usinage est une étape critique et incontournable pour atteindre les propriétés mécaniques, la stabilité dimensionnelle et la durée de vie exigées dans des environnements extrêmes. Contrairement aux alliages plus simples, les superalliages comme l’Inconel, le Waspaloy et les alliages Haynes sont conçus pour des performances spécifiques, et leur microstructure doit être rigoureusement contrôlée à travers des cycles thermiques précis. Les procédés requis dépendent de l’état initial du matériau et des exigences de performance finale de la pièce.

Les traitements thermiques essentiels après usinage

Les superalliages sont généralement fournis à l’état « recuit » ou « traité en solution » pour faciliter l’usinage. Après la mise en forme par usinage CNC, les procédés suivants sont couramment utilisés pour libérer tout leur potentiel.

1. Recuisson en solution / Traitement thermique de mise en solution

Il s’agit souvent de la première étape d’un cycle de traitement thermique en plusieurs phases, notamment si la pièce a subi un usinage important ayant introduit de nouvelles contraintes ou un écrouissage.

• Objectif : Dissoudre les phases secondaires (telles que les précipités gamma prime [γ'] ou gamma double prime [γ'']) dans la solution solide afin de créer une structure homogène monophasée. Ce traitement recristallise également la structure granulaire et élimine toutes les contraintes internes dues à l’usinage.

• Procédé : Le composant est chauffé à une température très élevée (généralement entre 925°C et 1175°C / 1700°F et 2150°F selon l’alliage, par exemple l’Inconel 718 autour de 955°C / 1750°F) pendant un temps déterminé, puis refroidi rapidement, généralement par trempe à l’eau ou par air forcé.

• Quand l’utiliser : Comme étape intermédiaire après l’ébauche, avant le durcissement par vieillissement, ou comme traitement final pour les composants nécessitant une ductilité et une résistance à la corrosion maximales plutôt qu’une résistance mécanique extrême.

2. Durcissement par précipitation (vieillissement)

Il s’agit du mécanisme de renforcement le plus important pour la plupart des superalliages à base de nickel.

• Objectif : Former une dispersion uniforme de précipités extrêmement fins et cohérents (γ' ou γ'') au sein de la matrice. Ces particules bloquent le mouvement des dislocations, augmentant considérablement la limite d’élasticité, la résistance à la traction et la résistance au fluage à haute température.

• Procédé : La pièce est chauffée à une température intermédiaire (généralement entre 700°C et 815°C / 1300°F et 1500°F) et maintenue pendant une longue période, souvent de 8 à 18 heures, parfois en plusieurs étapes. Par exemple, l’Inconel 718 subit un double vieillissement à 732°C (1350°F) puis 621°C (1150°F).

• Quand l’utiliser : Comme traitement thermique final pour pratiquement tous les composants en superalliage à haute résistance utilisés dans les industries de l’aéronautique et de l’aviation et de la production d’énergie. Ce traitement est effectué après la mise en solution et l’usinage complet.

3. Détente des contraintes

Un procédé à plus basse température, axé uniquement sur la stabilité dimensionnelle.

• Objectif : Réduire les contraintes résiduelles induites pendant l’usinage sans altérer significativement la microstructure ou les propriétés mécaniques du matériau. Cela est crucial pour éviter les déformations en service ou lors des étapes de traitement suivantes.

• Procédé : Chauffage à une température inférieure à celle du traitement en solution (souvent entre 600°C et 870°C / 1100°F et 1600°F) pendant quelques heures, suivi d’un refroidissement lent.

• Quand l’utiliser : Comme étape intermédiaire entre les opérations d’ébauche et de finition sur des pièces complexes à paroi mince pour permettre la relaxation des contraintes avant l’usinage final. Peut également être utilisé comme traitement final pour les pièces ne nécessitant pas de cycle complet de traitement thermique mais dont la stabilité est essentielle.

Séquence typique et considérations d’ingénierie

Un flux de travail standard pour un composant de haute intégrité, tel qu’une aube de turbine ou un support moteur critique, serait le suivant :

1. Ébauche : La pièce est usinée à environ 1 à 2 mm (0,040"–0,080") de ses dimensions finales à partir du brut recuit.

2. (Optionnel) Détente : Pour minimiser la distorsion liée aux coupes d’ébauche.

3. Mise en solution : Pour homogénéiser la structure et dissoudre les précipités.

4. Usinage final : Réalisé avec le service d’usinage de précision pour atteindre les dimensions et la finition de surface finales.

5. Vieillissement (durcissement) : Étape finale pour obtenir la résistance requise. Remarque : le vieillissement entraîne très peu de variations dimensionnelles, ce qui le rend adapté après l’usinage final.

Notes d’ingénierie cruciales :

• Intégrité de surface : Les superalliages sont extrêmement sensibles à la contamination de surface pendant le traitement thermique. Des éléments comme le soufre, le plomb ou même le zinc provenant de marquages peuvent provoquer une fragilisation sévère. Les pièces doivent être soigneusement nettoyées et le traitement thermique effectué dans un four propre, bien entretenu, souvent sous atmosphère protectrice ou sous vide.

• Trempe : La trempe rapide après le traitement en solution est nécessaire pour conserver la solution solide sursaturée, mais elle peut introduire de nouvelles contraintes. Pour les géométries complexes, des vitesses de trempe contrôlées sont essentielles afin d’éviter les fissures.

• Normes industrielles : Tous les traitements thermiques doivent respecter les normes strictes de l’industrie et des clients (AMS, MIL-H, spécifications propriétaires des fabricants de moteurs, etc.). Les paramètres temps-température spécifiques sont inviolables pour garantir les propriétés souhaitées de ces composants à haute valeur ajoutée.