Inconel 713C
Introduction à l’Inconel 713C
L’Inconel 713C est un superalliage moulé nickel-chrome, durcissable par précipitation, à haute résistance, optimisé pour fonctionner dans des conditions thermiques et mécaniques extrêmes. Sa combinaison d’une excellente résistance au fluage, d’une protection contre l’oxydation et d’une bonne aptitude au moulage le rend particulièrement adapté aux aubes de turbine, aux composants du trajet des gaz chauds et aux pièces structurelles de moteur fonctionnant en continu au-dessus de 950°C (1742°F).
Conçu sur une base de nickel (~75%) et allié avec du chrome (12–14%), de l’aluminium (5,5–6,5%), du molybdène (4–5%) et du niobium (1,5–2,5%), l’Inconel 713C développe une structure de précipités γ′ fine et un comportement mécanique stable sous fatigue thermique. Il s’agit d’une évolution de l’alliage Inconel 713 standard, améliorée pour offrir une meilleure fluidité de coulée et une performance légèrement supérieure en corrosion à chaud.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques de l’Inconel 713C
L’Inconel 713C (UNS N07713C / AMS 5381) est principalement utilisé à l’état moulé et vieilli pour des composants aérospatiaux et énergétiques de haute performance. Il est conforme à des normes telles que l’AMS 5381 et la MIL-C-24707.
Composition chimique (AMS 5381)
Élément | Plage de composition (pds.%) | Rôle clé |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Balance (~75,0%) | Métal de matrice pour la stabilité thermique |
Chrome (Cr) | 12,0–14,0 | Résistance à l’oxydation et à la corrosion à chaud |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Favorise le renforcement par la phase γ′ |
Molybdène (Mo) | 4,0–5,0 | Améliore la résistance à la rupture par fluage |
Niobium (Nb) | 1,5–2,5 | Renforce via la formation de NbC et de γ″ |
Titane (Ti) | 0,6–1,2 | Stabilité de la phase γ′ |
Carbone (C) | 0,10–0,20 | Forme des carbures pour la résistance à haute température |
Zirconium (Zr) | 0,05–0,15 | Améliore la cohésion aux joints de grains |
Bore (B) | 0,005–0,015 | Améliore la résistance à chaud et la ductilité |
Fer (Fe) | ≤3,0 | Élément résiduel |
Silicium (Si) | ≤0,50 | Minimise la formation de calamine d’oxydation |
Manganèse (Mn) | ≤0,50 | Favorise l’aptitude au moulage |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 8,01 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1250–1330°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 11,0 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,22 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 13,8 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacité calorifique massique | 455 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 197 GPa à 20°C | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (état moulé vieilli)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 940–1060 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2%) | 610–740 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥3–5% (longueur de base 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Dureté | 330–390 HB | ASTM E10 |
Résistance à la rupture par fluage | ≥160 MPa à 871°C, 100 h | ASTM E139 |
Caractéristiques clés de l’Inconel 713C
Résistance à haute température : conserve une résistance à la traction supérieure à 940 MPa et démontre une résistance au fluage durable >150 MPa à 871°C, ce qui le rend idéal pour les pièces rotatives et statiques de la section chaude.
Résistance à l’oxydation et aux gaz chauds : les couches d’oxydes Cr-Al protègent contre la dégradation de surface dans les environnements de turbine jusqu’à 1000°C, même sous charges thermiques fluctuantes.
Renforcement par gamma prime : une fraction volumique élevée de γ′ (~60%) augmente la dureté et maintient l’intégrité de forme lors de cycles de service exigeants.
Aptitude au moulage et stabilité dimensionnelle : conçu pour le moulage à la cire perdue avec une excellente fluidité, puis usiné pour atteindre des tolérances serrées (±0,02 mm) et une faible rugosité de surface (Ra ≤ 0,8 µm).
Défis et solutions d’usinage CNC pour l’Inconel 713C
Défis d’usinage
Dureté élevée et usure des outils
Les pièces moulées vieillies mesurent jusqu’à 390 HB, ce qui accélère l’usure des plaquettes en carbure et provoque des éclats en dépouille.
Faible ductilité et fragilité
L’allongement est limité (~3–5%), augmentant le risque de fissuration de surface ou de déformation des arêtes lors des passes de finition.
Concentration de la charge thermique
La faible conductivité thermique entraîne une accumulation rapide de chaleur à l’interface outil-copeau, causant une usure en cratère et une dérive dimensionnelle.
Stratégies d’usinage optimisées
Choix des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau d’outil | Céramique SiAlON ou carbure revêtu (CBN pour la finition) | Haute résistance à la chaleur et à l’usure |
Revêtement | TiAlN/AlCrN, PVD 3–6 µm | Minimise l’usure par diffusion et l’oxydation |
Géométrie | Angle de coupe positif (10–12°), arête renforcée | Améliore la durée de vie de l’outil et le contrôle de surface |
Paramètres de coupe (ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression de lubrifiant (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 15–25 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 80–120 |
Finition | 30–45 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 100–150 |
Traitements de surface pour les pièces en Inconel 713C usinées
Pressage isostatique à chaud (HIP)
HIP élimine la porosité de retassure et améliore la résistance à la fatigue de plus de 25%, renforçant les performances structurelles en service cyclique à haute température.
Traitement thermique
Traitement thermique comprend une mise en solution à 1150–1175°C et un vieillissement afin d’optimiser la distribution de γ′ et les propriétés de traction sur de grandes sections moulées.
Soudage de superalliages
Soudage de superalliages utilise le GTAW ou l’EBW avec des métaux d’apport correspondants afin de minimiser la fragilisation de la ZAT (HAZ) et de maintenir l’intégrité structurelle sous cycles thermiques.
Revêtement barrière thermique (TBC)
Revêtement TBC applique des couches YSZ de 100–300 µm par APS ou EB-PVD, réduisant les températures de surface jusqu’à 200°C pour prolonger la durée de vie des pièces de turbine.
Usinage par décharge électrique (EDM)
EDM permet des géométries internes complexes et des rainures dans des pièces moulées en Inconel 713C durci avec une précision de ±0,01 mm.
Perçage profond
Perçage profond atteint des rapports L/D ≥40:1 pour les trous de refroidissement et les passages d’air des segments de turbine.
Essais et analyses matériaux
Essais matériaux couvrent les contrôles ultrasonores, radiographiques (rayons X) et l’analyse de la structure de grain (ASTM E112, AMS 2175) afin de certifier l’intégrité des pièces critiques pour la sécurité.
Applications industrielles des composants en Inconel 713C
Aérospatiale et aviation
Aubes de turbine, aubes directrices de tuyère et structures de support de chambre de combustion.
Fonctionne de manière fiable dans des environnements hostiles sous charges thermiques cycliques et charges centrifuges.
Turbines à gaz industrielles
Buses de premier étage, aubages (buckets) et anneaux de protection (shrouds).
Exposition à long terme à des flux gazeux de 950–1000°C sans fluage ni dégradation par oxydation.
Propulsion marine
Rotors de turbocompresseur et carters d’échappement à grande vitesse.
Gère efficacement les gradients thermiques et la corrosion à chaud induite par les sels.
Performance automobile
Roues de turbocompresseur haute performance et composants d’admission.
Maintient l’intégrité dimensionnelle sous des fluctuations de température extrêmes.
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