Thése présentée par Sasidharan PERIANE à Polytech Tours au département Mécanique à 9h00
L’Inconel 718 est un alliage renforcé par précipitation avec plus de vingt éléments différents et c’est l’un des alliages les plus complexes fabriqués par les humains. L’Inconel 718 est le super alliage à base de nickel le plus utilisé dans la fabrication des turbines à vapeur, des moteurs à réaction, et autres, où le matériau est exposé à des charges thermomécaniques élevées. Malgré cela, l’Inconel 718 conserve ses propriétés comme la résistance à la fatigue, au fluage et à la corrosion même à des températures de fonctionnement élevées. L’Inconel 718 est principalement renforcé par les précipités qui se sont formés au cours des procédés de traitement thermique standard. L’Inconel 718 peut être fabriqué par un procédé de fabrication additif, à savoir la fusion sélective au laser (SLM). Le SLM permet de fabriquer toute forme de pièces complexes à sa forme quasi nette de manière flexible avec une utilisation réduite de matériaux et une faible empreinte carbone. Afin de respecter la tolérance dimensionnelle et l’intégrité de la surface des pièces, l’usinage de finition est essentiel. Mais les pièces telles que construites (sans aucun traitement thermique) sont fragiles en raison de la présence de couches de fusion et de défauts internes comme la porosité, le manque de fusion, etc. Elle se déforme car elle est incapable de supporter la charge thermomécanique pendant l’usinage. En soumettant les pièces fabriquées à un ou plusieurs traitements thermiques standard conséquents, nous pouvons atteindre une densité maximale adaptée à l’usinage. En premier lieu, dans notre travail, les échantillons de fatigue de l’alliage Inconel 718 de dimension 60 mm x 10 mm et 7 mm ont été fabriqués dans trois orientations angulaire par rapport au plateau substrat de construction, 0°, 45° et 90°. Les échantillons de traction et de fluage ont été fabriqués selon la norme ASTM dans les orientations 0° et 90°. L’influence du traitement thermique a été étudiée en soumettant les échantillons à un pressage isostatique à chaud (HIP) et à un traitement thermique aéronautique (AHT). L’étude de la microstructure des échantillons bruts (après fabrication) et des échantillons traités thermiquement révèle une microstructure très différente. Les échantillons traités thermiquement ont montré de bonnes propriétés mécaniques en termes d’augmentation de la valeur de dureté, de bonne propriété de traction (ductilité accrue) et de propriétés de fluage. Connaissant la propriété de l’Inconel 718 construit par fabrication additive par rapport à l’alliage Inconel 718 coulé et forgé (C&W), la plaquette de coupe a été choisie pour le fraisage en bout (usinage de finition) des échantillons de fatigue. L’usinage de finition a été réalisé pour trouver la différence d’orientation dans l’environnement sec, MQL (Minimum Quantity Lubricant) et émulsion, où la force de coupe et la rugosité après usinage ont été contrôlées. La force de coupe résultante était similaire quelle que soit l’orientation, alors que l’orientation à 90° présentait une meilleure rugosité de surface. Les auteurs ont donc décidé de faire un usinage supplémentaire sous sec, MQL et émulsion avec l’orientation 90° seulement.
De plus, un test de surface a été effectué pour estimer l’évolution de l’énergie de coupe spécifique pour des conditions de coupe variables (vitesse de coupe (Vc) et avance (fz) variables, la profondeur de coupe (ap) est maintenue constante) et les trois différents environnements de lubrifiant basés sur un plan d’expériences. La consommation d’énergie de coupe spécifique Wc (W/(cm3/min)) des échantillons SLM est de 5% inférieure à l’état sec et de 10% inférieure à l’état d’émulsion par rapport à une pièce IN718 conventionnelle. C’est très évident d’après la progression de l’usure de l’outil qui est 75% plus élevée pour une pièce conventionnelle par rapport à un additif. Toutes les pièces usinées ont une contrainte résiduelle de compression »100 % plus élevée que les pièces brutes. La contrainte résiduelle de compression induite par l’usinage de finition a facilité la résistance à la fatigue des échantillons, quelle que soit sa différence d’orientation. En se basant sur l’orientation, la limite d’endurance de l’orientation à 45° est de 990-995 Mpa, ce qui est similaire l’orientation à 0° et 08% supérieur à l’orientation à 90°. Les résultats confirment que l’effet de l’orientation est très similaire même en fatigue. Les échantillons AHT ont une limite d’endurance supérieure de 10% par rapport à une pièce HIP en raison de la présence de précipités de renforcement et ont la même valeur que l’IN718 conventionnel. Pendant le processus d’usinage à sec (sans lubrifiant), bien que l’outil a été davantage usé p, la limite d’endurance reste similaire par rapport à la pièce usinée par émulsion. L’obtention d’une valeur de contrainte résiduelle de compression presque égale est également une preuve valable. Les échantillons fracturés présentent une rupture ductile jusqu’à une certaine distance de croissance des fissures de 2,4 à 3,6 mm (amorce de fissures multiples) et des changements de nature fragile jusqu’à la rupture finale. On a trouvé plus de bandes de cisaillement et de fossettes à haute énergie dans les échantillons AHT que dans les échantillons HIP. Sur la base de notre étude, on peut déduire que, du point de vue de la fabrication, les paramètres du processus tels que la puissance du laser (W), la vitesse (m/s), la taille du spot (µm) et l’épaisseur de la couche (µm) doivent être optimisés pour obtenir une densité maximale. Tandis que le traitement thermique (HIP) doit être modifié pour les échantillons d’additifs en augmentant la durée de chauffage et le temps de refroidissement de la température. En ce qui concerne l’usinage, des outils spéciaux doivent être développés spécifiquement pour les échantillons d’additif IN718 (SLM, EBM et DMLS). En travaillant davantage sur les perspectives ci-dessus, une bonne intégrité de surface peut être induite pour améliorer la productivité de manière économique.