Les outilleurs ciblent les alliages résistants

Jan 24, 2024

Les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) sont des alliages à base de nickel et de cobalt prisés pour les applications qui exigent solidité, résistance à la corrosion et à l'oxydation, et résistance à l'usure par contact nécessaire à des températures extrêmement élevées.

"[Nous voyons] les HRSA comme tous les alliages à base de nickel et de cobalt qui exploitent l'anomalie de la limite d'élasticité", a noté Alex Minich, ingénieur d'applications chez le fabricant d'outils Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvanie. Il fait référence au moment où la limite d'élasticité augmente avec la température, contrairement à la plupart des matériaux qui s'adoucissent à mesure qu'ils chauffent ou diminuent la limite d'élasticité. Cela semble être une anomalie, d'où son nom.

La même résistance à la chaleur (et l'augmentation de la limite d'élasticité avec la température) qui rend les HRSA souhaitables pour de telles applications est ce qui les rend difficiles à usiner. Voici les dernières nouvelles sur la façon dont les fabricants d'outils de coupe facilitent le travail.

L'application la plus importante des HRSA est probablement leur utilisation dans l'industrie aérospatiale et de la défense, sous la forme de composants pour les moteurs à turbine utilisés dans les avions à réaction, les fusées et les missiles. Cependant, les matériaux sont également largement utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière. "Le pétrole, le gaz et leurs dérivés et tout ce qui est corrosif et abrasif qui doit être stocké, traité ou transporté à haute pression et température ont tendance à exiger la force et la résistance à la corrosion à des températures élevées que seuls les alliages à base de Ni peuvent offrir", a déclaré Minich.

Certains HRSA sont également utilisés dans la fabrication de dispositifs médicaux, pas nécessairement pour la résistance à la chaleur mais pour la biocompatibilité ainsi que les propriétés de résistance, de rigidité et de résistance à la corrosion.

Minich a également noté que tous les alliages appelés HRSA ne remplissent pas la facture. "Certains considéreraient le Jethete M152 comme un HRSA, mais à nos yeux, ce n'est qu'un acier inoxydable martensitique à faible teneur en carbone", a-t-il déclaré. "La plupart considéreraient également de nombreux alliages à base de titane comme des HRSA, car de nombreux alliages à base de titane riches en alpha sont conçus pour être utilisés à des températures élevées." Les vrais HRSA ne sont que les alliages à base de nickel et de cobalt qui tirent parti de l'anomalie de limite d'élasticité, a-t-il déclaré.

Bien qu'il existe différents types de HRSA, ils partagent tous un « défi de puce » majeur. Selon Bill Durow, chef de projet d'ingénierie mondial pour l'aérospatiale chez Sandvik Coromant, Mebane, NC

"Lorsque vous coupez un morceau d'acier, par exemple, il est beau et brillant, mais si vous regardez les copeaux par la suite, vous verrez qu'ils sont devenus bleu foncé à cause de la chaleur qu'ils ont absorbée lors du processus de coupe du métal", a-t-il déclaré. Mais avec des matériaux résistants à la chaleur, cela n'arrive pas. Au lieu d'être absorbée par les copeaux et évacuée avec eux, la chaleur générée par la friction reste souvent dans le processus. "En règle générale, environ 80% de la chaleur reste dans cette zone de coupe", a déclaré Durow. "Il retourne dans l'insert, ce qui, si vous y réfléchissez, n'est pas une bonne situation pour l'insert."

Il existe une autre différence entre les copeaux d'aciers standard et ceux formés à partir de HRSA. Dans les opérations de tournage, les copeaux d'acier standard se détachent à une taille et une forme qui leur permettent d'être facilement retirés de la zone de coupe. Ce n'est pas le cas lorsque vous tournez des HRSA. "Lorsque vous tournez des matériaux en nickel, cela n'aime pas casser un copeau", a déclaré Durow. Au lieu de cela, "vous obtiendrez ces longs longerons. La puce peut en fait s'enrouler autour de votre outil. Pire, elle peut s'enrouler autour de la pièce et l'endommager." Ce n'est pas une bonne situation lorsque vous fabriquez, par exemple, des pièces de moteur critiques.

Selon Durow, une solution consiste à diriger un liquide de refroidissement haute pression dans la zone de coupe, à des pressions allant jusqu'à 100 bars (1 400 psi) pour briser le copeau. "C'est bien plus que simplement éclabousser de l'eau autour de la zone de coupe", a-t-il déclaré. "Nous avons des buses qui dirigent avec précision le liquide de refroidissement à haute pression dans la zone de coupe, créant un coin hydraulique qui pousse le copeau vers le haut sur la plaquette, le repoussant essentiellement pour le casser."

Les matériaux HRSA sont usinés soit avec des outils ou des inserts en carbure, qui peuvent offrir une meilleure finition mais à des pieds de surface par minute (sfm) de coupe relativement inférieurs, soit avec des outils en céramique qui permettent un sfm beaucoup plus élevé. "La céramique est généralement destinée strictement à l'ébauche, éventuellement à la semi-finition, mais pas à la finition, où le carbure a l'avantage", a déclaré William Fiorenza, chef de produit matrices et moules, Ingersoll Cutting Tool Co., Rockford, Illinois. "La part du lion de la réduction du temps de cycle se trouvera dans le processus d'ébauche et pas nécessairement dans le processus de finition. Mais lorsque les exigences incluent une finition impeccable, alors [utilisez] du carbure monobloc."

La chaleur est une situation particulièrement gênante lors de l'utilisation d'outils ou de plaquettes en carbure, selon Randy Hudgins, chef de produit national du tournage chez Iscar USA, Arlington, Texas. "Pour former une puce, le processus doit plastifier le matériau, mais la teneur élevée en nickel de l'Inconel, du Waspaloy et d'autres HRSA les rend si résistants à la chaleur que les températures nécessaires pour commencer à les plastifier sont suffisamment préjudiciables à votre carbure. Le liant pour le carbure est le cobalt et le point de fusion du cobalt est d'environ 2 700 ° F. La température nécessaire pour plastifier ces alliages à base de nickel approche de plus de 3 000 ° F. " dit Hudgins. "Vous risquez de faire fondre votre cobalt."

Pour cette raison, des revêtements résistants à la chaleur tels que le nitrure de titane et d'aluminium (TiAlN) ou l'oxyde d'aluminium (Al2O3) sont appliqués sur le substrat dans le cadre du processus de fabrication d'outils, a-t-il déclaré.

Les températures élevées causent des problèmes aux outils en carbure d'une autre manière. Le contact chaud de l'arête de coupe avec la pièce à usiner HRSA durcit efficacement le matériau, en y mettant une échelle. « Fondamentalement, il s'agit d'un traitement thermique », a déclaré Hudgins. "Disons qu'à chaque passe, vous prenez un huitième de pouce de profondeur de coupe de chaque côté. Ce qui se passe, c'est que la passe de coupe durcit le matériau. Ensuite, vous revenez et prenez un autre huitième de pouce de profondeur de coupe. Eh bien, cette passe précédente est maintenant d'un huitième de pouce sur le côté de votre carbure. Donc, maintenant vous avez ce matériau durci en contact avec votre carbure et il commence à l'éroder. Vous obtenez ce que nous appelons une entaille de profondeur de coupe. Il commence à entailler votre carbure."

Une façon de résoudre ce problème consiste à faire varier la profondeur de coupe, a-t-il déclaré. « Disons que vous commencez avec une profondeur de coupe de 150 millièmes. Vous pouvez ensuite descendre à 100, puis à 75, puis à 50. Ce que cela fait, c'est déplacer cette surface écrouie de haut en bas sur la longueur de ce carbure à différents intervalles. Le matériau écroui n'a aucune chance de se mettre en place et de commencer à éroder le carbure si rapidement », a déclaré Hudgins.

Un autre défi à prendre en compte dans le processus de découpe est la complexité de la conception de la pièce à découper, a souligné Fiorenza d'Ingersoll. Et, dit-il, il y a plus de complexité que jamais.

Dans les applications de fraisage en particulier, "les formes des pièces et des caractéristiques sont devenues plus complexes au fil des ans", a déclaré Fiorenza. "Grâce aux progrès des logiciels de FAO et de CAO, les formes des pièces deviennent plus fluides. Là où les pièces étaient peut-être plus ouvertes dans le passé, les concepteurs prennent des libertés avec des fonctionnalités plus détaillées dans ces différentes pièces. Les pièces sont conçues avec des fonctionnalités plus petites et à rayon étroit, où les fraises doivent avoir un engagement radial plus important. Dans de telles situations, une plus grande quantité de chaleur est générée en raison de cet engagement radial. Cela peut parfois rendre l'usinage difficile. ne sont pas suivis."

Ils essaient de naviguer dans ces conditions avec un contrôle étroit sur le processus.

Lors du fraisage avec des outils en carbure monobloc, "les préparations d'arêtes vives doivent être maintenues et surveillées pendant le processus", a déclaré Fiorenza. "De plus, des conceptions de plaquettes spéciales peuvent aider à optimiser les performances de coupe, par exemple, des géométries de face de coupe spécialement conçues, des préparations d'arêtes et le positionnement des plaquettes dans la fraise."

Et bien que ces avancées logicielles en CAO/FAO aient rendu les pièces - et donc le processus de découpe - plus complexes, elles sont contrebalancées par d'autres avancées logicielles.

"Les algorithmes de parcours d'outils d'aujourd'hui sont bien équilibrés et permettent d'utiliser plus facilement des techniques d'usinage à grande vitesse. Ces parcours d'outils plus fluides nous permettent d'attaquer ces matériaux à haute température de manière plus efficace, en minimisant les engagements radiaux", a déclaré Fiorenza.

Les conceptions de pièces plus difficiles à usiner ne représentent qu'un domaine dans lequel les attentes des fabricants évoluent. Une pression croissante s'exerce également sur eux - et par la suite sur les constructeurs de machines et les outilleurs impliqués dans l'usinage HRSA - pour permettre des temps de cycle toujours plus courts et des coûts d'outils réduits.

« Dans l'ensemble, l'usinage céramique des HRSA n'est pas aussi nouveau aujourd'hui qu'au milieu des années 1980, et les objectifs actuels des utilisateurs vont de l'augmentation de la capacité de débit, en augmentant les taux d'enlèvement de métal, à la réduction du coût global tout en maintenant ou en améliorant la stabilité du processus », a déclaré Minich de Greenleaf.

"Les années pré-pandémiques ont été l'âge d'or de l'aérospatiale commerciale - qui, nous l'espérons, reviendra", a-t-il poursuivi. Les graphiques [de l'état de l'industrie] étaient tous très verts et à la hausse, et la principale condition de réussite était la réduction du temps de cycle. » Cependant, depuis le début de la pandémie de COVID-19, il pense qu'une priorité plus élevée a été accordée à la réduction des coûts.

La durée de vie de l'outil affecte les deux domaines. Qu'il s'agisse de fraisage ou de tournage, de carbure ou de céramique, les outils utilisés sur les HRSA ont tendance, comme le dit le dicton, à "vivre vite et mourir jeune". La durée de vie de ces outils peu coûteux est relativement courte.

"Il existe un certain nombre de facteurs sous notre contrôle que nous avons identifiés comme ayant un impact élevé sur la durée de vie de l'outil de la céramique dans l'usinage des HRSA", a déclaré Minich. Les facteurs comprennent : le choix de l'outil ; rigidité et stabilité; grade; forme (macrogéométrie); préparation des arêtes (microgéométrie), parcours outil/stratégie d'usinage ; conditions de coupe ; vitesse; et l'épaisseur des copeaux. "La plus difficile de ces variables à maximiser est certainement la durée de vie de l'outil."

Le défi diffère selon la tâche de coupe, a-t-il déclaré. "Le fraisage et le tournage des HRSA accordent des priorités assez différentes aux propriétés matérielles d'un outil de coupe en céramique. La durée de vie de l'outil dans le fraisage bénéficie le plus de la résistance à la rupture transversale élevée - TRS - de la ténacité aux chocs et de la résistance à la croissance des fissures en raison du cycle thermique. résistance fiable à la propagation des fissures.

Greenleaf propose des solutions pour maximiser la durée de vie de l'outil en fraisage et en tournage. « Nous répondons aux besoins de fraisage, d'élimination des calamines de forgeage et de tournage fortement interrompu avec XSYTIN-1, une nuance unique à base de nitrure de silicium. Le tournage, entre-temps, a été traité avec WG-600, une nuance céramique renforcée de trichites revêtues. Dans des conditions de coupe optimales, il est capable de maintenir une usure régulière pendant plus de 20 minutes de temps de coupe à un seul point de contact en Inconel 718 », a déclaré Minich.

Le produit le plus récent que Greenleaf a créé spécifiquement en pensant aux économies de coûts dans les HRSA est XSYTIN-360. « En tant que fraise en bout monobloc fabriquée à partir du matériau XSYTIN-1, elle offre la productivité du fraisage de la céramique à des diamètres auparavant réservés au carbure, avec une durée de vie de l'outil nettement plus élevée, mesurée par le volume de matière enlevée par outil, que les meilleurs outils ronds monoblocs en carbure de tungstène de leur catégorie », a-t-il déclaré. « En raison de la résistance à la rupture transversale et de la résistance aux chocs de XSYTIN-1, XSYTIN-360 est également un outil plus accessible dans la mesure où il peut être appliqué à des vitesses inférieures, ce qui réduit les besoins en broche. Et XSYTIN-360 peut également être rectifié, offrant des économies supplémentaires », a-t-il conclu.

Chez Sandvik Coromant, les innovations récentes incluent de nouvelles nuances de tournage. « Notre dernier développement est une toute nouvelle nuance de tournage que nous avons développée pour les applications d'usinage de dernière étape avec des composants de moteurs aérospatiaux dans le domaine du tournage HRSA. Elle s'appelle S205 », a déclaré Durow de Sandvik Coromant. « Grâce aux revêtements et aux nouveaux substrats, elle résiste bien mieux à la chaleur que les nuances précédentes et peut donc supporter des vitesses de coupe supérieures de 30 à 50 %. Il existe également de nouveaux traitements post-traitement sur les plaquettes. Cette nuance S205 à revêtement CVD est disponible dans presque toutes nos gammes de plaquettes standard.

La société a également optimisé son portefeuille de CBN (nitrure de bore cubique), a déclaré Durow. "CB7014 est une solution de tournage CBN à grande vitesse pour les alliages à base de nickel." La nuance 7014 existe depuis un certain temps, mais la société a récemment optimisé certaines des géométries pour mieux prendre en charge le travail HRSA.

"Le CBN a généralement été utilisé dans l'usinage de pièces dures. Des aciers très durs pour les engrenages et les choses de cette nature", a-t-il ajouté. "Mais nous avons découvert que ce matériau CBN fonctionne également très bien dans les matériaux aérospatiaux. Le problème était la performance des bords lorsqu'il était utilisé sur ceux-ci. Alors que vous voudriez généralement une préparation des bords différente pour l'usinage de ces aciers durs, des matériaux HRSA ou des matériaux qui aiment être cisaillés. Nous devions créer une ligne de bord plus nette. Nous avons donc en fait modifié certaines des géométries de ces différentes plaquettes pour qu'elles fonctionnent très bien avec ces matériaux HRSA."

Ces détails sont très importants pour les entreprises aérospatiales, a noté Durow. "Ils aiment cette sécurité de processus. Ils veulent appuyer sur un bouton et s'en aller en sachant que l'outil va durer pendant un certain temps. Ils pourraient faire une production à l'arrêt. Ils ne veulent pas avoir à s'inquiéter d'une panne pendant l'opération car les pièces sont extrêmement chères et les réglementations qu'ils doivent respecter sont assez étendues."

Chez Iscar, de nouvelles nuances de carbure et de céramique ont été développées pour l'Inconel et d'autres HRSA, selon Randy Hudgins, chef de produit national du tournage chez Iscar USA. "Notre nuance de carbure IC806 a été développée spécifiquement pour l'Inconel 718 et son utilisation s'est étendue à d'autres alliages résistants à la chaleur", a déclaré Hudgins. "Ce fut un tel succès que nos ingénieurs ont développé une nuance avec un substrat encore plus dur pour la finition et le fonctionnement à des vitesses de surface plus élevées : la nuance IC804.

"Lorsque vous deveniez Inconel, [c'était comme ça] si vous atteigniez 100 sfm, vous vous débrouilliez plutôt bien", a-t-il poursuivi. "Avec cet IC806, nous approchons de 200 sfm et obtenons une durée de vie d'outil décente. Ensuite, ils ont développé l'IC804, avec un substrat plus dur, et avec cela, nous sommes à plus de 250 sfm.

Parallèlement à ces nuances, Iscar propose désormais des nuances SiAlON - nitrite d'oxygène d'aluminium et de silicium. SiAlON est essentiellement une céramique, à savoir IS35 et IS25. "Dans notre nomenclature, plus le nombre est grand, plus la nuance est dure; plus le nombre est petit, plus la nuance est dure ou résistante à l'usure", a déclaré Hudgins. "Donc, l'IS35 est le plus résistant des deux. Je commence généralement par l'IS35 car il fonctionne très bien pour couper à travers le tartre durci qui se développe sur ces alliages. Et avec ces nuances, au lieu de 200, 250 sfm, nous sommes maintenant à 600 à 800 sfm."

Selon Fiorenza, les innovations récentes d'Ingersoll Cutting Tools se concentrent sur une nouvelle gamme de céramiques qui propose deux conceptions de plaquettes uniques. "Ces conceptions sont nouvelles pour l'industrie et le marché", a-t-il déclaré. « Lancée fin 2020, cette nouvelle ligne a obtenu un taux de réussite très élevé dans de nombreuses applications exigeantes de fraisage d'ébauche HRSA.

Les fraises céramiques indexables CERASFEED Hi-Feed utilisent des plaquettes indexables de 9 mm et 12 mm avec des géométries de plaquette à grande avance. Selon Fiorenza, le serrage puissant de la plaquette du système permet des vitesses d'alimentation « bluffantes ». "La densité des inserts est plus élevée pour une productivité accrue", a-t-il déclaré.

Du côté de la céramique, la nouvelle nuance SiAlON IN76N de la société permet un meilleur rendement sur les processus de fraisage exigeants, a-t-il déclaré. Selon la documentation de l'entreprise, son taux de sfm est jusqu'à 33 fois supérieur à celui du carbure monobloc (3 000 sfm, contre 60 à 90 sfm pour le carbure).

Fiorenza a déclaré qu'il était continuellement surpris par les clients qui minimisent l'importance du coût total de production dans l'usinage HRSA. "Dans l'aérospatiale, l'élément le plus coûteux du processus d'usinage peut être la pièce", a-t-il souligné. "Oui, le centre d'usinage est la chose la plus chère dans certains cas, mais le train d'atterrissage, par exemple, peut coûter plus d'un million de dollars chacun. Et la chose la moins chère est généralement l'outil de coupe ou l'insert qui entre dans l'outil de coupe. On pourrait donc penser que la plus grande attention serait accordée au coût total de l'entraînement réussi de ces inserts. Cela n'arrive pas toujours, mais cela devrait arriver."

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