Inconel 939
Introduction à l’Inconel 939
L’Inconel 939 est un superalliage nickel-chrome à haute résistance, durci par précipitation, développé pour des applications extrêmes à très haute température. Grâce à sa forte fraction volumique de γ′ (~45–50 %), à son excellente résistance au fluage-rupture et à sa résistance exceptionnelle à l’oxydation jusqu’à 1000°C, l’Inconel 939 est principalement utilisé pour des composants de turbines et des pièces structurelles fortement sollicitées dans les systèmes aéronautiques et de production d’énergie.
Cet alliage est conçu pour la fonderie de précision (investment casting) et l’usinage CNC de précision ultérieur. Renforcé par des additions de titane, d’aluminium et de tantale, et stabilisé par une teneur contrôlée en carbone et bore, l’Inconel 939 conserve son intégrité dimensionnelle lors d’expositions prolongées au cyclage thermique et aux contraintes mécaniques. Il est fréquemment utilisé pour des aubes de turbines à gaz, des aubes directrices, des éléments de chambre de combustion (combustor hardware) et des composants aéronautiques de zone chaude.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques de l’Inconel 939
L’Inconel 939 (UNS N09939 / AMS 5400 / ASTM A297 Grade HFS) est fourni à l’état coulé, traité en solution et durci par vieillissement, optimisé pour un service de longue durée à température élevée.
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (en % massique) | Rôle principal |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Équilibre (~50–55 %) | Matrice de base ; confère la résistance à haute température |
Chrome (Cr) | 22,0–24,0 | Résistance à l’oxydation et formation de calamine |
Cobalt (Co) | 17,0–19,0 | Améliore la fatigue thermique et la relaxation des contraintes |
Molybdène (Mo) | 1,2–1,8 | Renforcement par solution solide |
Aluminium (Al) | 1,2–1,6 | Formation de la phase γ′ pour le durcissement par vieillissement |
Titane (Ti) | 3,0–3,6 | Renforce le précipité γ′ |
Tantale (Ta) | 1,3–1,8 | Améliore la résistance au fluage et à la rupture |
Carbone (C) | 0,13–0,17 | Favorise la formation de carbures pour renforcer les joints de grains |
Bore (B) | 0,01–0,015 | Augmente la ductilité et limite la fissuration à chaud |
Zirconium (Zr) | ≤0,10 | Stabilisation des joints de grains |
Silicium (Si) | ≤0,5 | Contribue à la résistance à l’oxydation |
Manganèse (Mn) | ≤0,5 | Améliore les caractéristiques de coulée |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 8,27 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1300–1365°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 10,0 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,38 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 13,7 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacité thermique massique | 440 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 190 GPa à 20°C | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (état coulé + vieilli)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 1000–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2 %) | 700–850 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥5–8 % (longueur utile 25 mm) | ASTM E8/E8M |
Dureté | 330–390 HB | ASTM E10 |
Résistance au fluage-rupture | ≥140 MPa @ 870°C, 1000 h | ASTM E139 |
Caractéristiques clés de l’Inconel 939
Haute résistance au fluage et à la fatigue thermique : excellentes performances mécaniques sous fortes charges au-dessus de 800°C dans les applications de turbines et d’échappement.
Résistance supérieure à l’oxydation : les teneurs en chrome et aluminium favorisent la formation d’une couche d’oxyde stable jusqu’à 1000°C.
Aptitude à la coulée et stabilité dimensionnelle : optimisé pour la fonderie de précision avec une microstructure fine et une résistance au grossissement des grains.
Usinabilité CNC : l’usinage CNC post-coulée permet un contrôle de tolérances serrées (±0,01 mm) et un excellent état de surface (Ra ≤ 1,2 µm).
Défis et solutions d’usinage CNC pour l’Inconel 939
Défis d’usinage
Dureté élevée et teneur en phase γ′
L’Inconel 939 vieilli peut atteindre 390 HB, ce qui nécessite un outillage avancé et des montages rigides afin d’éviter les vibrations et la flexion de l’outil.
Carbures abrasifs et composés intermétalliques
Les carbures et les précipités γ′ augmentent l’usure, entraînant une dégradation rapide de l’outil lors de coupes continues.
Génération de chaleur
La faible conductivité thermique provoque une accumulation locale de chaleur, en particulier lors d’opérations à sec ou avec peu de liquide de coupe.
Stratégies d’usinage optimisées
Choix des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Céramique (SiAlON), carbure revêtu PVD ou CBN | Maintient l’intégrité de l’outil sous charge thermique |
Revêtement | AlTiN ou AlCrN (3–6 µm) | Réduit l’usure thermique et le frottement |
Géométrie | Angle de coupe 10°–12° avec arête de coupe rodée | Améliore le contrôle des copeaux et la durée de vie de l’outil |
Paramètres de coupe (ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression de liquide de coupe (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 15–25 | 0,20–0,30 | 2,0–3,0 | 80–100 |
Finition | 30–45 | 0,05–0,10 | 0,5–0,8 | 100–150 |
Traitement de surface pour les pièces usinées en Inconel 939
Pressage isostatique à chaud (HIP)
HIP améliore les performances en fatigue et en fluage en éliminant la porosité et en densifiant les pièces moulées avant la finition CNC.
Traitement thermique
Traitement thermique comprend un traitement en solution (~1160°C) suivi d’un vieillissement (~845°C) afin de précipiter la phase γ′ et d’améliorer la résistance à haute température.
Soudage des superalliages
Soudage des superalliages nécessite un soudage TIG/EB à faible apport thermique avec des métaux d’apport compatibles afin d’éviter la fissuration à chaud des alliages à forte teneur en γ′.
Revêtement barrière thermique (TBC)
Revêtement TBC applique 125–250 µm de céramiques YSZ afin de réduire la température de surface et de prolonger la durée de vie des pièces de chambre de combustion et de turbine.
Usinage par électroérosion (EDM)
EDM permet un rainurage et une mise en forme de profils de haute précision sur l’Inconel 939 traité thermiquement, sans introduire de contraintes résiduelles.
Perçage profond
Perçage profond permet des canaux internes L/D > 40:1 dans les aubes et aubes directrices de turbine pour optimiser les performances de refroidissement.
Essais et analyses des matériaux
Essais des matériaux incluent les essais de fluage-rupture (ASTM E139), la métallographie (ASTM E3) et la validation mécanique conformément à l’AMS 5400.
Applications industrielles des composants en Inconel 939
Turbines aéronautiques
Aubes directrices (nozzle guide vanes), aubes de turbine et chemises de chambre de combustion.
Résiste au fluage et à l’oxydation sous des gradients de température extrêmes.
Production d’énergie
Pièces de zone chaude dans les turbines à gaz terrestres.
Conserve une haute résistance et une excellente résistance à l’oxydation à ≥900°C.
Systèmes de défense
Postcombustion (afterburner) et composants d’échappement pour la propulsion à réaction.
Intégrité structurelle lors de chocs thermiques et de cycles rapides.
Turbines à gaz industrielles
Conduits de transition, bagues d’aubes et tubes de flamme.
Conçu pour un fonctionnement en charge de base ou en pointe des turbines à gaz.
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