Nimonic 105
Introduction au Nimonic 105
Le Nimonic 105 est un superalliage à base de nickel reconnu pour son excellente résistance mécanique à haute température, sa résistance à la fatigue et sa stabilité structurelle en conditions de service extrêmes. Il est renforcé par une forte fraction volumique de précipités gamma prime (γ′) ainsi que par des éléments de durcissement par solution solide, tels que le cobalt et le molybdène. Cet alliage fonctionne de manière fiable jusqu’à 1050°C, ce qui le rend idéal pour les disques de turbines à gaz, les composants de moteurs d’avion et les fixations exposées à des contraintes thermiques sur le long terme.
Le Nimonic 105 est généralement usiné via des services d’usinage CNC afin d’atteindre les tolérances serrées requises dans les systèmes aéronautiques et énergétiques. L’usinage CNC offre la précision et la répétabilité nécessaires pour fabriquer des géométries complexes et des pièces critiques à partir de ce matériau à très haute résistance.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Nimonic 105
Le Nimonic 105 (UNS N13021 / W.Nr. 2.4634 / BS HR6) est un alliage de nickel à haute résistance durci par précipitation, largement utilisé pour les pièces tournantes fortement chargées à haute température.
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (wt.%) | Rôle clé |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Équilibre (≥50,0) | Assure la résistance à la corrosion et la stabilité de la matrice |
Cobalt (Co) | 19,0–21,0 | Améliore la résistance et la durée de vie en fatigue |
Chrome (Cr) | 14,0–16,0 | Assure une résistance à l’oxydation jusqu’à 1050°C |
Molybdène (Mo) | 4,5–5,5 | Durcissement par solution solide et résistance au fluage |
Titane (Ti) | 1,0–1,5 | Renforcement par précipitation γ′ |
Aluminium (Al) | 4,5–5,5 | Formation de la phase γ′, améliore la résistance à haute température |
Carbone (C) | ≤0,12 | Forme des carbures pour résister au fluage |
Fer (Fe) | ≤1,0 | Élément résiduel |
Manganèse (Mn) | ≤1,0 | Améliore l’aptitude à la mise en forme à chaud |
Silicium (Si) | ≤1,0 | Soutient la résistance à l’oxydation |
Bore (B) | ≤0,01 | Renforce la cohésion aux joints de grains |
Zirconium (Zr) | ≤0,15 | Affine les joints de grains et augmente la résistance au fluage |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme / condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 8,25 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1335–1380°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 11,8 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,10 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 13,2 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 435 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 210 GPa à 20°C | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (mise en solution + vieillissement)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 1100–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2 %) | 850–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureté | 260–290 HB | ASTM E10 |
Résistance à la rupture par fluage | 230 MPa à 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Résistance à la fatigue | Excellente | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du Nimonic 105
Résistance exceptionnelle à haute température : conserve une résistance à la traction supérieure à 1100 MPa et une limite d’élasticité au-delà de 850 MPa pour des températures de service jusqu’à 950°C.
Résistance au fluage et à la fatigue : la résistance à la rupture par fluage dépasse 230 MPa à 950°C pendant 1000 heures, garantissant une stabilité durable sous charges thermiques et mécaniques.
Renforcement par gamma prime : une forte fraction volumique de phase γ′ Ni₃(Al,Ti) améliore le maintien des propriétés à haute température et résiste à la dégradation microstructurale.
Résistance à l’oxydation : la couche d’oxyde protectrice Cr₂O₃ assure une résistance durable à l’oxydation et à l’entartrage dans les environnements de turbine jusqu’à 1050°C.
Stabilité dimensionnelle : un faible coefficient de dilatation thermique (13,2 µm/m·°C) minimise les déformations thermiques lors des cycles de chauffage.
Défis et solutions d’usinage CNC du Nimonic 105
Défis d’usinage
Usure et rupture d’outil
Les précipités γ′ et les phases riches en Mo provoquent une usure intense en dépouille et la formation de cratères sur les outils non revêtus.
Rétention de chaleur
La faible conductivité thermique entraîne une élévation de la température de l’outil et une défaillance rapide de l’arête en coupe agressive.
Écrouissage
La dureté de surface augmente fortement pendant l’usinage, compliquant les opérations de finition en plusieurs passes.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure (K20-K30), céramique ou CBN pour la finition | Haute dureté à chaud et ténacité |
Revêtement | TiAlN ou AlCrN (3–5 µm) | Réduit l’usure et la pénétration de chaleur |
Géométrie | Angle de coupe positif (6–8°), arête rodée (~0,05 mm) | Contrôle la charge copeau et la déflexion |
Paramètres de coupe (conformes ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression du lubrifiant (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 12–18 | 0,15–0,25 | 2,0–3,0 | 100–120 |
Finition | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,5–1,0 | 120–150 |
Traitements de surface pour les pièces en Nimonic 105 usinées
Pressage isostatique à chaud (HIP)
HIP élimine la porosité et améliore la durée de vie en fatigue de >20%, ce qui est particulièrement critique pour les disques de turbine et les pièces de chambre de combustion.
Traitement thermique
Traitement thermique consiste en une mise en solution à ~1140°C suivie d’un vieillissement à 850°C afin de favoriser une précipitation γ′ optimale.
Soudage de superalliages
Soudage de superalliages avec un métal d’apport ERNiCrCoMo-1 fournit des joints avec >90% de la résistance du métal de base et une micro-ségrégation minimale.
Revêtement barrière thermique (TBC)
Revêtement TBC applique une couche de YSZ de 100–300 µm afin de réduire l’absorption de chaleur dans les profils d’aube de turbine.
Usinage par électroérosion (EDM)
EDM permet d’obtenir une résolution de micro-détails jusqu’à ±0,005 mm sans endommager thermiquement les zones durcies.
Perçage profond
Perçage profond atteint des rapports L/D >30:1 avec un défaut de concentricité <0,3 mm/m pour les passages de refroidissement et les conduites de carburant.
Essais et analyses des matériaux
Essais matériaux comprend des essais de rupture par fluage à 950°C, la validation microstructurale par MEB (SEM) et le contrôle de défauts par ultrasons afin d’assurer des composants critiques exempts de défauts.
Applications industrielles des composants en Nimonic 105
Moteurs de turbines aéronautiques : disques de turbine, tuyères d’échappement et emplantures d’aube dans les systèmes de propulsion.
Production d’énergie : arbres de turbine, boulons et joints pour cycles vapeur à haute température.
Réacteurs nucléaires : systèmes de fixation haute pression résistants aux radiations et supports.
Performance automobile : composants de turbocompresseur, écrans thermiques et sièges de soupapes moteur.
Turbines à gaz industrielles : composants tournants à grande vitesse exposés aux cycles thermiques et aux vibrations.
Explorer les blogs associés
