Nimonic 115
Introduction au Nimonic 115
Le Nimonic 115 est un superalliage à base de nickel-chrome-cobalt à très haute résistance, développé pour des applications à température extrême, en particulier dans l’aéronautique et la production d’énergie. Conçu pour conserver son intégrité structurelle jusqu’à 1050°C, cet alliage se caractérise par une forte teneur en phase gamma prime (γ′) et une excellente résistance au fluage. Il est largement utilisé pour les aubes de turbine, les aubages directeurs (nozzle guide vanes) et les composants de disques, lorsque les sollicitations thermiques et mécaniques sur le long terme sont critiques.
En raison de ces applications exigeantes, les composants en Nimonic 115 sont généralement fabriqués via des services d’usinage CNC afin de garantir des tolérances serrées et une excellente répétabilité. L’usinage CNC permet de mettre en forme avec précision des géométries complexes dans ce matériau difficile à usiner, tout en assurant le contrôle dimensionnel requis pour les assemblages critiques.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Nimonic 115
Le Nimonic 115 (UNS N19115 / W.Nr. 2.4639) est un superalliage durci par précipitation, généralement élaboré en coulée sous vide, développé pour offrir une résistance à long terme et une bonne résistance à l’oxydation en service continu à haute température.
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (wt.%) | Rôle clé |
|---|---|---|
Nickel (Ni) | Équilibre (≥50,0) | Stabilité de la matrice et résistance à la corrosion |
Chrome (Cr) | 14,0–16,0 | Améliore la résistance à l’oxydation et à la corrosion |
Cobalt (Co) | 14,0–16,0 | Augmente la résistance et la tenue à la fatigue thermique |
Molybdène (Mo) | 3,0–5,0 | Renforcement au fluage par durcissement en solution solide |
Aluminium (Al) | 5,0–6,0 | Forme la phase γ′ Ni₃Al pour renforcer la tenue à chaud |
Titane (Ti) | 1,0–2,0 | Contribue à la formation de γ′ pour le durcissement par précipitation |
Carbone (C) | ≤0,15 | La précipitation de carbures améliore le fluage et la tenue à la rupture |
Bore (B) | ≤0,015 | Renforcement des joints de grains |
Zirconium (Zr) | ≤0,15 | Augmente la durée de vie en rupture par 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 | Aide à la résistance à l’oxydation |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme / condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 8,40 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1335–1385°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 11,5 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,12 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 13,3 µm/m·°C (20–1000°C) | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 440 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 | 1180–1350 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2 %) | 880–960 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureté | 280–310 HB | ASTM E10 |
Résistance à la rupture par fluage | 240 MPa à 950°C (1000 h) | ASTM E139 |
Résistance à la fatigue | Excellente | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du Nimonic 115
Très haute résistance à températures extrêmes : fournit une résistance à la traction supérieure à 1180 MPa et une limite d’élasticité au-delà de 880 MPa pour des températures atteignant 950°C.
Renforcement par gamma prime : la forte fraction volumique de phase γ′ assure une excellente conservation des propriétés et une résistance accrue à la dégradation thermique dans le temps.
Excellente résistance à l’oxydation : les additions de chrome et d’aluminium forment une couche d’oxyde stable limitant la dégradation de surface jusqu’à 1050°C.
Performances en fluage et en fatigue : la résistance à la rupture par fluage de 240 MPa à 950°C pendant 1000 heures garantit une fiabilité longue durée pour les pièces tournantes de turbine.
Stabilité dimensionnelle en cyclage thermique : grâce à un coefficient de dilatation thermique de 13,3 µm/m·°C, il limite le gauchissement et les déformations en conditions de cycles thermiques.
Défis et solutions d’usinage CNC du Nimonic 115
Défis d’usinage
Dégradation rapide des outils
La combinaison d’une dureté élevée et de particules de phase γ′ entraîne une usure rapide des outils conventionnels.
Faible conductivité thermique
La chaleur est piégée dans la zone de coupe, augmentant la température de l’arête et le risque d’erreurs dimensionnelles.
Écrouissage
Nécessite un engagement de coupe constant et des outils très affûtés pour éviter la formation de couches écrouies.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure (K30), plaquettes céramique pour la finition | Conserve la dureté à haute température |
Revêtement | AlCrN ou TiSiN PVD (3–5 µm) | Protection thermique et réduction de l’usure |
Géométrie | Angle de coupe positif (6–10°), arête rodée (~0,05 mm) | Contrôle des efforts et amélioration de l’état de surface |
Paramètres de coupe (conformes ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression du lubrifiant (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 10–15 | 0,15–0,25 | 1,5–2,5 | 100–120 |
Finition | 25–35 | 0,05–0,10 | 0,3–0,8 | 120–150 |
Traitements de surface pour les pièces en Nimonic 115 usinées
Pressage isostatique à chaud (HIP)
HIP réduit la porosité interne et augmente la résistance en fatigue de plus de 25%, particulièrement pour les composants rotatifs.
Traitement thermique
Traitement thermique comprend une mise en solution (~1145°C) suivie d’un vieillissement contrôlé afin de maximiser la précipitation γ′ et d’obtenir une résistance optimale.
Soudage de superalliages
Soudage de superalliages avec des métaux d’apport de type ERNiCrCoMo permet des assemblages sans fissuration, tout en conservant ≥90% des propriétés mécaniques du métal de base.
Revêtement barrière thermique (TBC)
Revêtement TBC réduit la température du substrat jusqu’à 200°C sur les aubes et aubages de turbine.
Usinage par électroérosion (EDM)
EDM est utilisé pour créer des trous de refroidissement à tolérances serrées avec une précision de ±0,005 mm, sans impact de contraintes thermiques.
Perçage profond
Perçage profond atteint un état de surface Ra <1,6 µm et une concentricité <0,3 mm/m pour des pièces L/D >30:1.
Essais et analyses des matériaux
Essais matériaux inclut les essais de fluage, traction, XRD, SEM et le contrôle par ultrasons selon les normes ASME et ASTM.
Applications industrielles des composants en Nimonic 115
Moteurs de turbines aéronautiques : aubes de turbine, disques et pièces de combustion exposés à des températures extrêmes.
Production d’énergie : aubes et fixations de turbines vapeur à haute température.
Systèmes nucléaires : composants soumis à la fois aux contraintes thermiques et au rayonnement.
Moteurs automobiles de compétition : soupapes d’échappement, roues de turbocompresseur et guides de soupapes.
Turbines à gaz industrielles : rotors et aubages directeurs en zones de combustion soumises à des cycles thermiques.
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