Les matériaux à haute résistance mécanique (HRM), particulièrement le superalliage à base de nickel-fer Inconel 718 et l’acier faiblement allié 300M, sont très utilisés dans des applications critiques spécialement en industrie aérospatiale. L’Inconel 718 et l’acier 300M sont utilizes respectivement pour la fabrication des pièces critiques comme les disques de turbine et les trains d’atterrissage d’avions. Ces matériaux ont des caractéristiques mécaniques et physiques plus importantes que celles de la plupart des matériaux conventionnels. Les pièces critiques sont fabriquées en grande partie à l’aide des procédés de fabrication conventionnels comme le tournage dur. Ces pièces critiques sont souvent soumises à des charges cycliques et nécessitent donc d’avoir une résistance très élevée en fatigue. En revanche, l’usinage de ces pièces a un impact sur leur durée de vie en service et sur l’intégrité des surfaces usinées en termes de rugosité, contraintes résiduelles, microstructure et endommagement subsurfacique qui influencent la durée de vie en fatigue à différents niveaux.
La présente thèse a pour objectif principal d’étudier l’effet de l’usinage par tournage dur de l’Inconel 718. Plus précisément, l’impact du tournage dur sur l’évolution de la microstructure et sur l’endommagement subsurfacique. L’objectif secondaire de ce projet est d’étudier l’effet des paramètres de coupe sur la qualité des pièces en acier 300M en utilisant des paramètres de finition tout en augmentant la productivité. L’investigation expérimentale se base sur quatre (4) principales étapes :
Premièrement, une analyse critique de la littérature nous a permis de déterminer les lacunes sur lesquelles s’est développée l’originalité de ce projet. Des recherches antérieures ont montré l’absence d’utilisation de méthodes de caractérisation précises et fiables pour quantifier l’endommagement subsurfacique. De même, la littérature présente un manque d’un modèle empirique fiable et précis afin de prédire l’évolution de l’endommagement microstructural. De plus, l’étude de la littérature a présenté une insuffisance concernant les mécanismes qui sont responsables de la fissuration des carbures et de l’apparition d’une couche adoucie dans le cas de l’Inconel 718.
En ce qui concerne l’acier 300M, la littérature présente peu de données concernant l’impact de l’usinage sur la qualité de surface ainsi sur l’amélioration de la productivité d’usinage de ce matériau pour le régime de finition. Alors, l’étude de la littérature a été concentrée sur des aciers similaires, par exemple les aciers AISI 4340 et AISI 52100.
Deuxièmement, une méthode précise de caractérisation a été développée dans le but de quantifier l’impact de l’usinage sur la microstructure et de distinguer entre les défauts de polissage et d’usinage. Cette méthode consiste à protéger la surface avec une couche mince de nickel pur déposée par électrolyse. Elle permet de quantifier avec précision l’endommagement subsurfacique spécialement l’épaisseur de la couche déformée (DL) et plusieurs types de défauts d’usinage. Parmi les autres avantages de la méthode développée est qu’elle permet d’éviter le détachement des carbures en surface, d’éviter la déformation du bord de l’échantillon et de quantifier adéquatement le pourcentage des carbures fissurées (ACC) en sous couche et dans la limite de la couche affectée qui est de l’ordre de 30 μm. Des techniques de caractérisation avancées ont été utilisées comme la microscopie laser/optique, la microscopie électronique à balayage (MEB), la nanoindentation et la technique de la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD). La caractérisation microstructurale des pièces en Inconel 718 usinées avec différentes conditions montrent l’apparition d’une couche durcie sous l’effet de l’écrouissage superficiel et de déformations plastiques sévères d’épaisseur maximale égale à 15 μm à partir de la surface usinée. De plus, une couche adoucie a été révélée juste après la couche durcie. L’épaisseur de la couche adoucie est comprise entre 10 μm et 25 μm tout dépendamment des conditions d’usinage.
Troisièmement, un plan d’expériences fiable et économique, qui est le Roquemore 311B, a été sélectionné pour planifier les tests d’usinage. Ainsi, DL et ACC ont été quantifiés pour chaque condition de coupe. Les résultats montrent que dans le domaine d’étude de finition sélectionné, DL varie entre 6 μm et 15,5 μm et ACC varie entre 8,3 % et 20,5 %. L’analyse des résultats à l’aide de la technique de l’analyse de variance ANOVA a permis de déterminer l’impact de chaque paramètre sur l’endommagement subsurfacique pour les deux matériaux. Les résultats ont montré que la vitesse de coupe (Vc) et la vitesse d’avance (f) sont les paramètres les plus significatifs. Afin de simplifier les corrélations entres les paramètres de coupe et l’endommagement subsurfacique, Vc et f ont été transformées en paramètre physique comme l’énergie de déformation (E) et le débit d’enlèvement de matière (MRR). Ainsi, il a été démontré que les épaisseurs de la couche déformée et le pourcentage de carbures fissures augmentent avec l’augmentation du taux d'enlèvement de matière et de l’énergie de déformation sous la forme racine carrée. De plus, des valeurs de f élevées et de valeurs de Vc faibles engendrent une DL et un ACC élevés.
Les modèles développés ont été validés en utilisant des conditions d’usinage autres que ceux planifiés dans le plan d’expériences spécialement dans le cas de l’Inconel 718. Les modèles proposés ont prédit DL et ACC pour l’Inconel 718 avec des erreurs maximales égales à 12 % et 28 % pour le centre et les extrémités du domaine d’étude respectivement et dans un intervalle de confiance de 95 %.
Quatrièmement, une étude approfondie a été conduite sur deux phénomènes principaux qui sont l’apparition des carbures fissurés, indépendamment de la distance relative à la surface usinée et l’apparition d’une couche adoucie. Afin d’analyser les mécanismes responsables de la fissuration des carbures (Nb, Ti) C, une étude EBSD a été conduite à l’aide des cartes de distribution de facteurs de Schmid et des cartes de distribution de misorientation locale à l’aide des cartes KAM (Kernel Average Misorientation). Les résultats de l’étude EBSD ont montré que le processus de fissuration est lié à l’orientation des grains et à l’accumulation de dislocations. En effet, l’emplacement préférentiel de l'initiation des fissures dans les carbures est situé à l’interface où les grains adjacents présentent un gradient de facteur de Schmid et de dislocations. Aussi, les résultats de caractérisation par microscopie optique montrent que les carbures commencent à se fissurer à partir d’une taille critique qui a été déterminée égales à 3 μm. Pour ce qui est de l’apparition de la couche adoucie, les résultats montrent que les carbures fissurés sont localisés entre 10 et 25 μm de la surface usinée, ce qui coïncide avec la profondeur de la couche adoucie. Une analyse théorique a permis de corréler l’apparition de cette couche au cisaillement des particules dures dans les sous couches.
Les résultats expérimentaux sur l’acier 300M ont montré que les paramètres d’usinage sélectionnés n’avaient pas d’impact sur l’évolution de la microstructure et sur l’endommagement subsurfacique en termes de dureté, de défauts et couche affectée par usinage. La caractérisation des échantillons usinés confirme que la couche affectée par usinage est d’une épaisseur maximale égale à 1,7 μm pour les conditions les plus sévères. De plus, l’analyse par microscopie électronique n’a pas révélé la présence d’une couche blanche en surface. Ce résultat demeure bénéfique pour notre partenaire industriel Héroux Devtek, car il lui permet d’augmenter sa productivité de 19 % pour la semi finition et entre 50 et 122 % pour la finition sans la dégradation de la qualité de surface.
Dans le cadre de cette thèse, les résultats sur l’évolution de la microstructure lors de l’usinage de 300M, n’ont pas révélé un impact significatif, c’est pour cela, qu’on recommande d’élargir le domaine d’étude pour l’acier 300M dans le but d’étudier profondément l’effet des paramètres de coupe sur l’évolution de la microstructure. Ainsi, on pourra corréler l’effet de l’endommagement microstructural avec la durée de vie en fatigue des pièces usinées.
En ce qui concerne l’Inconel 718, on recommande de corréler le pourcentage des carbures fissurés avec la durée en fatigue des pièces usinées. À noter qu’une investigation a été conduit pour déterminer l’effet des carbures fissurés sur la durée de vie en fatigue des pièces usinée en Inconel 718. En première étape, le modèle proposé a été appliqué avec succès pour trois échantillons soumis à des essais de fatigue dont les conditions d’usinage et la durée de vie en fatigue n’avaient pas été fournies. En deuxième étape, le modèle a été testé pour toutes les conditions planifiées dans le plan d’expériences et pour différents diamètres usinés (0,5 et 2 pouces) en Inconel 718. Les résultats ont montré que quand le pourcentage de carbure fissure augmente la durée de vie en fatigue diminue de manière significative.
| Date | 24 avr. 2018 |
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| langue originale | Français |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Philippe Bocher (Codirecteur(-trice)) |
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