Comment le soudage affecte les propriétés mécaniques des superalliages : Résistance, fissuration et...
Comment le soudage affecte les propriétés mécaniques des superalliages
Le soudage est un procédé critique mais difficile dans la fabrication des superalliages, modifiant fondamentalement la microstructure du matériau et, par conséquent, ses propriétés mécaniques. Bien qu'il permette la fabrication et la réparation de composants complexes, son apport de chaleur intense et localisé introduit une série de changements métallurgiques qui doivent être soigneusement gérés pour maintenir l'intégrité des composants dans des applications exigeantes comme l'aérospatiale et l'aviation.
Formation d'une microstructure hétérogène
L'effet principal du soudage est la création de trois zones distinctes : la zone de fusion (ZF), la zone affectée thermiquement (ZAT) et le métal de base non affecté. Cette hétérogénéité est la cause première de la plupart des changements de propriétés.
Zone de fusion (ZF) : C'est le métal de soudure resolidifié. Sa structure dendritique brute de coulée est grossière et chimiquement ségrégée par rapport au métal de base forgé ou coulé, conduisant à une anisotropie inhérente. Dans les alliages durcis par précipitation comme l'Inconel 718, les phases de durcissement γ' et γ'' sont complètement dissoutes dans la ZF et ne se précipitent pas entièrement lors du refroidissement, entraînant une perte significative de résistance.
Zone affectée thermiquement (ZAT) : Cette zone ne fond pas mais est soumise à des températures élevées qui peuvent provoquer une croissance des grains, un sur-vieillissement (grossissement du γ') et la formation de phases fragiles. La ZAT est souvent le maillon faible d'un assemblage de superalliage soudé.
Précipitation et fissuration par vieillissement sous contrainte
C'est une préoccupation majeure pour les superalliages à base de nickel durcis par précipitation. Pendant le soudage ou le traitement thermique post-soudure (TTPS) ultérieur, le matériau traverse une plage de température où les précipités γ' se forment rapidement. Cette précipitation induit des contraintes localisées qui, combinées aux contraintes résiduelles du soudage, peuvent provoquer une fissuration intergranulaire dans la ZAT, un phénomène connu sous le nom de "fissuration par vieillissement sous contrainte". Les alliages à haute teneur en aluminium et titane (formateurs de γ') y sont particulièrement sensibles.
Perte de résistance à haute température et de résistance au fluage
La microstructure grossière et ségrégée de la ZF et la ZAT sur-vieillie sont nettement plus faibles que le métal de base à des températures élevées. La résistance au fluage, qui dépend d'une dispersion fine et stable des précipités γ', est gravement compromise dans la région soudée. Cela fait de la jointure soudée un point de défaillance potentiel dans des composants comme les chambres de combustion et les conduits de transition dans les turbines de production d'énergie, qui fonctionnent sous contrainte et température élevées soutenues.
Réduction de la durée de vie en fatigue
La région soudée concentre des amplificateurs de contrainte : micro-porosité, inclusions, sous-coupe et la transition en forme d'encoche au pied du cordon. De plus, les contraintes de traction résiduelles piégées après le soudage réduisent considérablement la résistance à la fatigue du composant. L'amorçage des fissures se produit souvent à ces défauts de soudure, conduisant à une durée de vie en fatigue plus courte que celle du métal de base. Ceci est critique pour les pièces rotatives ou celles soumises à des cycles thermiques.
Stratégies d'atténuation et traitements post-soudure
Pour contrer ces effets néfastes, une stratégie de contrôle de procédé rigoureuse est essentielle :
Sélection du procédé : Les procédés à faible apport de chaleur comme le soudage par faisceau d'électrons (EB) ou laser sont préférés car ils minimisent la taille de la ZF et de la ZAT.
Métal d'apport : Utiliser un métal d'apport avec une composition conçue pour résister à la fissuration et moins ségréger, comme un alliage durci en solution pour souder un alliage durci par précipitation.
Traitement thermique post-soudure (TTPS) : Un traitement thermique de superalliage soigneusement conçu est presque toujours obligatoire. Le TTPS vise à :
Re-dissoudre les phases délétères et homogénéiser la chimie de la ZF.
Re-précipiter une distribution contrôlée de γ' dans la ZF et la ZAT.
Relâcher les contraintes résiduelles de soudage préjudiciables.
Pressage isostatique à chaud (PIC) : Pour les composants coulés critiques, le Pressage isostatique à chaud (PIC) peut être utilisé après soudage pour fermer la porosité interne dans la ZF, améliorant ainsi la densité et les propriétés en fatigue.
En conclusion, bien que le soudage des superalliages dégrade inévitablement les propriétés mécaniques en créant une microstructure hétérogène et souvent plus faible, ses impacts négatifs peuvent être gérés grâce à des techniques de soudage sophistiquées, une sélection méticuleuse du métal d'apport et des traitements thermiques et mécaniques post-soudure obligatoires pour restaurer les performances et assurer la fiabilité des composants.
