Quels matériaux d’outils de coupe sont utilisés pour l’usinage de l’Inconel 718 ?
L’usinage de l’Inconel 718, un superalliage nickel-chrome à durcissement structural, représente l’un des plus grands défis du monde de la fabrication, en raison de sa capacité à conserver sa résistance à haute température, de sa forte tendance à l’écrouissage et de sa microstructure abrasive. Par conséquent, le choix du matériau d’outil n’est pas une simple préférence, mais une décision d’ingénierie critique qui détermine la faisabilité, le coût et le succès de l’opération. La nature agressive de l’Inconel 718 détruit rapidement les outils standards, nécessitant l’utilisation de substrats et de revêtements hautes performances spécialisés.
1. Substrats en carbure : le pilier principal
Pour la plupart des opérations de fraisage CNC et de tournage CNC sur Inconel 718, les outils en carbure sont le choix par défaut et le plus polyvalent. Cependant, tous les carbures ne se valent pas.
Carbure submicronique ou à grain ultra-fin : Les carbures standards manquent de ténacité et de résistance thermique suffisantes. À la place, des carbures submicroniques (taille de grain < 0,5 µm) sont essentiels. Leur microstructure extrêmement fine offre un équilibre optimal entre une dureté élevée (pour résister à l’usure abrasive) et une résistance à la rupture transversale supérieure (pour éviter l’écaillage et la fracture dus aux efforts de coupe élevés et aux coupes interrompues).
Préparation renforcée des arêtes : Une arête trop vive est très sensible à l’écaillage et aux fissures thermiques. Ainsi, les outils pour Inconel 718 présentent un affûtage défini (arrondi) ou un chanfrein (T-land), renforçant le tranchant, réduisant les concentrations de contraintes et aidant à gérer la chaleur intense générée à l’interface outil-pièce.
2. Revêtements avancés : la barrière thermique
Un outil en carbure non revêtu échouera rapidement sur l’Inconel 718. Le revêtement n’est pas optionnel ; c’est une nécessité fonctionnelle pour lutter contre la chaleur et la diffusion.
Revêtements PVD (Physical Vapor Deposition) : Les revêtements TiAlN (nitrure de titane et d’aluminium) et ses variantes (comme AlTiN) sont la référence. Leur teneur en aluminium forme une couche protectrice d’oxyde d’aluminium stable à haute température, reflétant efficacement la chaleur vers le copeau plutôt que dans l’outil. Les générations plus récentes, telles que les revêtements nanocomposites nACo, offrent une dureté et une stabilité thermique encore supérieures. Ces revêtements fins et durs, appliqués par PVD, conservent une arête de coupe nette et précise, essentielle pour maîtriser les forces de coupe.
Revêtements CVD (Chemical Vapor Deposition) : Bien que les revêtements CVD comme TiCN ou Al₂O₃ soient extrêmement durs et résistants à l’usure, ils conviennent moins aux coupes interrompues typiques du fraisage d’Inconel, en raison de leur épaisseur et de leur fragilité accrues pouvant provoquer des micro-écaillages. Ils sont parfois utilisés pour des opérations de tournage continu très stables.
3. Cermets et carbures renforcés au cermet
Pour les opérations de finition nécessitant une excellente qualité de surface et des tolérances serrées, les cermets (composites céramique-métal) peuvent être efficaces. Ils offrent une arête très tranchante, une résistance à l’usure remarquable et un faible coefficient de friction, aidant à contrôler la formation du copeau secondaire. Cependant, leur ténacité inférieure aux carbures haut de gamme les rend inadaptés aux passes d’ébauche ou aux coupes interrompues.
4. Solutions non carbure pour les applications extrêmes
Pour la production en grande série ou certaines opérations spécifiques, des matériaux d’outils plus exotiques sont employés.
Céramiques en nitrure de silicium (SiAlON) : Ces outils excellent dans les opérations de semi-finition et d’ébauche à grande vitesse sur les superalliages à base de nickel. Ils peuvent fonctionner à des vitesses de coupe 5 à 10 fois supérieures à celles du carbure, à condition que la machine et le montage soient extrêmement rigides. Leur dureté à chaud exceptionnelle leur permet de rester efficaces aux températures extrêmes où le carbure se ramollit. Toutefois, ils sont fragiles et ne tolèrent aucune interruption ni choc.
Nitrure de bore cubique (CBN) : Le CBN est le deuxième matériau le plus dur disponible pour les outils de coupe. Les qualités à faible teneur en CBN (souvent liées par une céramique) sont utilisées pour l’usinage continu des matériaux trempés. Pour la condition plus tendre (traitée en solution) de l’Inconel 718, des qualités à forte teneur en CBN avec liant métallique sont parfois utilisées pour la finition, offrant une excellente résistance à l’usure et une tenue dimensionnelle exceptionnelle. Son utilisation est toutefois limitée par son coût élevé et sa sensibilité aux vibrations.
Diamant polycristallin (PCD) : Le PCD n’est généralement pas recommandé pour l’usinage des métaux ferreux, y compris l’Inconel, en raison d’une réaction chimique sévère (graphitisation) à haute température entraînant une dissolution rapide de l’outil.
Considérations d’ingénierie pour l’application des outils
Le choix du matériau d’outil n’est qu’une partie de l’équation. L’usinage réussi d’un matériau exigeant comme l’Inconel 718 requiert une stratégie globale :
La rigidité avant tout : Toute vibration ou résonance détruira instantanément l’outil, quel qu’il soit. Une machine robuste, des porte-outils courts et une fixation solide sont impératifs.
Stratégie de refroidissement : Un liquide de coupe haute pression et à travers-outil est fortement recommandé. Il réduit le choc thermique, évacue les copeaux et aide à les fragmenter efficacement, évitant le recoupe et protégeant l’arête de l’outil.
Paramètres d’usinage optimisés : Une profondeur radiale de coupe prudente et une avance constante et suffisante sont essentielles pour garantir que la coupe s’effectue sous la couche écrouie du passage précédent.
