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Nimonic 81

Le Nimonic 81 est un superalliage nickel-chrome durci par précipitation, optimisé pour des composants usinés CNC soumis à la fatigue thermique, à l’oxydation et à des charges mécaniques jusqu’à 870 °C. Il est utilisé dans les systèmes aéronautiques, nucléaires et énergétiques.

Introduction au Nimonic 81

Le Nimonic 81 est un superalliage nickel-chrome à haute résistance, renforcé par l’aluminium et le titane, conçu pour offrir une excellente résistance mécanique, une résistance au fluage et une stabilité de surface dans des environnements agressifs à haute température. Durci par précipitation, il est destiné aux applications exigeant un service de longue durée à température élevée, ce qui le rend particulièrement adapté aux composants de l’aéronautique, du nucléaire et de la production d’énergie.

Avec une capacité de service jusqu’à 870°C, le Nimonic 81 combine une résistance supérieure à la fatigue thermique et une résistance élevée à l’oxydation. Il est généralement fourni à l’état mis en solution et vieilli, puis transformé par usinage CNC pour produire des aubes de turbine, des fixations structurelles, des ressorts et des pièces de haute précision nécessitant des tolérances dimensionnelles serrées et d’excellents états de surface.

Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Nimonic 81

Le Nimonic 81 (UNS N07081 / W.Nr. 2.4635 / ISO 15156-3) est un alliage de nickel durci par précipitation, doté d’une phase gamma-prime (γ′) qui améliore les propriétés mécaniques sous contrainte et exposition thermique.

Composition chimique (typique)

Élément	Plage de composition (wt.%)	Rôle clé
Nickel (Ni)	Équilibre (≥70,0)	Élément de base assurant la résistance à l’oxydation à haute température et au fluage
Chrome (Cr)	19,0–22,0	Améliore la résistance à la corrosion et à la calamination
Titane (Ti)	2,0–2,8	Forme la phase γ′ Ni₃Ti pour le durcissement par précipitation
Aluminium (Al)	1,0–1,5	Renforce la matrice γ′ pour la résistance à la fatigue thermique
Carbone (C)	≤0,08	Améliore la résistance au fluage à haute température via la formation de carbures
Fer (Fe)	≤3,0	Élément résiduel ; apporte de la résistance
Manganèse (Mn)	≤1,0	Soutient l’aptitude au travail à chaud
Silicium (Si)	≤1,0	Améliore la résistance à l’oxydation
Cuivre (Cu)	≤0,2	Limité pour réduire la fragilité à chaud
Soufre (S)	≤0,015	Contrôlé pour la soudabilité et la résistance à la fissuration à chaud

Propriétés physiques

Propriété	Valeur (typique)	Norme / condition d’essai
Densité	8,15 g/cm³	ASTM B311
Plage de fusion	1320–1380°C	ASTM E1268
Conductivité thermique	11,2 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	430 J/kg·K à 20°C	ASTM E1269
Module d’élasticité	200 GPa à 20°C	ASTM E111

Propriétés mécaniques (mise en solution + vieillissement)

Propriété	Valeur (typique)	Norme d’essai
Résistance à la traction	1000–1150 MPa	ASTM E8/E8M
Limite d’élasticité (0,2 %)	700–800 MPa	ASTM E8/E8M
Allongement	≥18%	ASTM E8/E8M
Dureté	220–250 HB	ASTM E10
Résistance à la rupture par fluage	200 MPa à 750°C (1000 h)	ASTM E139
Durée de vie en fatigue thermique	Excellente	ASTM E606

Caractéristiques clés du Nimonic 81

Résistance élevée au fluage : le mécanisme de renforcement par gamma-prime garantit la fiabilité mécanique sous contrainte prolongée jusqu’à 870°C.
Résistance à l’oxydation et à la formation de calamine : la matrice enrichie en chrome forme une couche stable de Cr₂O₃ qui protège les composants en atmosphères oxydantes.
Résistance à la fatigue sous cycles thermiques : conserve la stabilité microstructurale et la précision dimensionnelle après des milliers de cycles thermiques.
Bonne soudabilité et aptitude à la fabrication : peut être soudé et usiné CNC avec des paramètres contrôlés pour des pièces critiques à tolérances serrées.

Défis et solutions d’usinage CNC du Nimonic 81

Défis d’usinage

Taux d’écrouissage élevé

La dureté de surface augmente rapidement pendant la coupe, surtout à l’état vieilli, ce qui entraîne l’usure des outils et des tolérances de pièce irrégulières.

Particules de carbures abrasives

Les carbures et les précipités γ′ accélèrent l’usure des outils en carbure non revêtus et en acier rapide.

Faible conductivité thermique

L’accumulation de chaleur au niveau de l’arête de coupe entraîne un ramollissement thermique et l’ébréchure des arêtes lors d’opérations à sec ou insuffisamment refroidies.

Stratégies d’usinage optimisées

Sélection des outils

Paramètre	Recommandation	Justification
Matériau de l’outil	Carbure (K20–K30) pour l’ébauche, CBN pour la finition	Résiste à l’abrasion et aux charges thermiques
Revêtement	AlCrN ou TiSiN (PVD 3–5 µm)	Réduit l’oxydation et la formation d’arête rapportée (BUE)
Géométrie	Angle de coupe positif, arête rodée (0,05 mm)	Minimise la pression de coupe et les vibrations

Paramètres de coupe (conformes ISO 3685)

Opération	Vitesse (m/min)	Avance (mm/tr)	Profondeur de passe (mm)	Pression du lubrifiant (bar)
Ébauche	10–18	0,20–0,25	1,5–2,0	100–120
Finition	30–45	0,05–0,10	0,3–1,0	120–150

Traitements de surface pour les pièces en Nimonic 81 usinées

Pressage isostatique à chaud (HIP)

HIP améliore la résistance au fluage et l’uniformité structurelle en éliminant les micro-vides dans les pièces moulées ou fabriquées par AM.

Traitement thermique

Traitement thermique active la précipitation gamma-prime et améliore la résistance à la fatigue à haute température.

Soudage de superalliages

Soudage de superalliages permet de réaliser des assemblages solides et résistants à l’oxydation pour le matériel nucléaire et aéronautique.

Revêtement barrière thermique (TBC)

Revêtement TBC ajoute une protection thermique aux aubes de turbine, bagues de combustion et pièces de circuit gaz chaud.

Usinage par électroérosion (EDM)

EDM garantit la précision sur des zones durcies telles que trous de refroidissement, encoches ou surfaces d’étanchéité.

Perçage profond

Perçage profond soutient la fabrication de passages de refroidissement ou de canaux d’injecteurs avec des rapports longueur/diamètre élevés.

Essais et analyses des matériaux

Essais matériaux comprend le profilage de microdureté, l’analyse de taille de grain, les essais de rupture sous contrainte, ainsi que les contrôles non destructifs (CND).