Plateforme de connaissances

Usinage des alliages à base de nickel

Là où les sollicitations thermiques et mécaniques sont très élevées, comme c’est le cas pour de nombreux composants dans l’industrie aéronautique et aérospatiale, le secteur automobile ou la production d’énergie, les composants en alliages à base de nickel sont fréquemment utilisés. 

Que sont les alliages à base de nickel ?

Les alliages à base de nickel sont des matériaux dont le principal composant, le nickel, métal lourd, est associé avec au moins un autre élément chimique (généralement au moyen d’un processus de fusion). On utilise des alliages nickel-cuivre, nickel-fer, nickel-fer-chrome, nickel-chrome, nickel-molybdène-chrome, nickel-chrome-cobalt, nickel faiblement alliés (avec un taux de nickel jusqu’à 99,9 %) et d’autres alliages multi-composants. 

Alliages corroyés et alliages de fonderie

D’une manière générale, on distingue deux groupes d’alliages à base de nickel : Alliages corroyés et alliages de fonderie. Les alliages corroyés sont utilisés dans la construction de turbines pour les disques et les anneaux et conviennent grâce à leurs propriétés intrinsèques, pour une plage de température allant jusqu’à 730 degrés Celsius. Les alliages de fonderie sont principalement utilisés pour les composants soumis à des charges thermomécaniques élevées et avec une géométrie complexe. Ainsi, les composants sont coulés avec une structure polycristalline proche de la forme finale et ne subissent qu’un usinage mineur. 

Caractéristiques des alliages à base de nickel

Les alliages nickel-chrome très répandus se caractérisent par une résistance thermique extrême, jusqu’à environ 750 degrés Celsius, et peuvent donc résister durablement aux sollicitations à proximité du point de fusion. Par ailleurs, ils présentent une ductilité et une résistance élevées, ainsi qu’une faible conductivité thermique tout en conservant une bonne déformabilité à froid et une grande résistance à la corrosion. Grâce à sa densité faible, sa résistance chimique élevée et sa résistance importante à l’usure, ces alliages conviennent particulièrement aux applications à haute température, où l’aluminium et l’acier sont instables.

D’autre part, ce sont précisément ces qualités et bonnes propriétés d’utilisation des alliages qui rendent l’usinage plus complexe : avec une courte durée de vie des outils, seules des vitesses de coupe relativement faibles peuvent être employées. Lors de l’usinage avec des outils en carbure sans revêtement, dans l’aluminium les durées de vie atteignent souvent plusieurs jours ; elles chutent à environ une heure pour la fonte à graphite sphéroïdal, et se situent entre cinq et dix minutes pour les alliages à base de nickel. 

Matériaux de coupe pour les alliages à base de nickel

Acier rapide

La technologie « High-Speed-Steel (HSS) » est utilisé lors de l’usinage des alliages à base de nickel pour sa grande ténacité dans les applications avec coupe interrompue, comme le fraisage, le taraudage, le brochage et le rainurage. Avec les alliages à base de nickel, les vitesses de coupe d’une plage comprise entre 5 et 10 m/min s’appliquent. Les avances par dent sélectionnées peuvent être relativement élevées avec 0,1 à 0,16 mm, grâce à la ténacité de l'HSS.

Carbure

Les carbures (HM) se composent de carbures métalliques, généralement du carbure de tungstène, intégrés dans une phase de liant métallique tendre et appartiennent donc aux matériaux composites. En règle générale, les outils en carbure sont utilisés pour les alliages à base de nickel avec des vitesses de coupe relativement réduites de 20 à 40 m/min. Les vitesses de coupes plus élevées entraînent une sursollicitation rapide du matériau de coupe et ne peuvent donc pas être appliquées de manière sûre la plupart du temps. 

Nitrure de bore

Le nitrure de bore cubique (cBN) est le deuxième matériau le plus dur connu après le diamant. Il est donc plus dur, plus résistant à l’usure et plus coûteux que la céramique de coupe. Les caractéristiques du cBN permettent d’utiliser des vitesses de coupes élevées lors du tournage. Le cBN n’est pas utilisé pour le fraisage des alliages à base de nickel. Dans le cas du tournage de l’Inconel 718, en revanche, c’est possible. Des plages de vitesse de coupe comprises entre 400 m/min et 600 m/min sont recommandées. En comparaison directe avec les outils en carbure avec revêtement TiAlN, le cBN affiche une durée de vie 100 % plus longue par rapport à une vitesse de coupe vc de 50 m/min. Pour le tournage de finition de structures instables, le cBN est le premier choix dans l’utilisation industrielle. 

Céramique de coupe

Les céramiques de coupe sont frittées à partir de poudres céramiques sans ajout de liants. La norme DIN ISO 513 répartit les céramiques de coupe en cinq groupes :

CA = Céramique de coupe, composant principal oxyde d’aluminium (Al2O3)

CM = Céramique mixte, composant principal oxyde d’aluminium (Al2O3), avec d’autres composants que des oxydes

CN = Céramique nitrure de silicium, composant principal nitrure de silicium (Si3N4 )

CR = Céramique à Whiskers, composant principal oxyde d’aluminium (Al2O3)

CC = Céramique de coupe, tous les matériaux mentionnés ci-dessus, mais avec revêtement

Les outils en céramique conservent leur dureté, même à des températures élevées survenant lors du fraisage des superalliages réfractaires (HRSA). Ainsi, ils permettent d’atteindre une vitesse 20 à 30 fois supérieure à celle des outils en carbure monobloc.

Les matériaux de coupe en céramique proviennent à l’origine du tournage. La charge thermique reste relativement stable lors du tournage. En revanche, lors du fraisage, la température au niveau de l’arête de coupe varie car la coupe est interrompue. Le changement brutal de l'échauffement par abrasion au refroidissement sollicite fortement l’arête de coupe. Pour éviter tout choc thermique lié au refroidissement de l’outil, le fraisage avec des arêtes de coupe en céramique est effectué sans lubrifiant réfrigérant. Les céramiques SiAlON (nitrure de silicium et aluminium) sont généralement moins sensibles aux variations de températures par rapport aux céramiques composites, ils sont donc le meilleur choix pour les opérations de fraisage. 

La condition indispensable pour le fraisage avec des arêtes de coupe en céramique repose sur l’utilisation de machines à grande vitesse capables d’accélérer la broche à plus de 10 000 tr/min dans certains cas, constituant un défi supplémentaire pour les outils.

Tandis que les systèmes d’outils avec des plaquettes en céramique sont disponibles sur le marché sous diverses formes et sont utilisés dans le secteur, les fraises de diamètre inférieur à 16 mm ne sont pas encore aussi très répandues pour les raisons mentionnées. Pendant longtemps, les outils en acier rapide et en carbure étaient la seule alternative.

Outre l’usure chimique liée à la température, les matériaux de coupe en céramique sont souvent soumis à la formation d'arêtes rapportées : dans la chaleur générée dans la zone usinée, il y a des fragments métalliques qui fusionnent avec la surface du matériau de coupe, des bouts en céramique peuvent être arrachés (écaillage) lors de leur détachement soudain.