Etudes mécaniques, microstructurales et fracture sur l'inconel 825

Apr 18, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5321 (2023) Citer cet article

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Cet article présente une nouvelle méthode qui utilise le processus de fabrication additive à arc métallique basé sur le transfert de métal froid pour fabriquer des murs en Inconel 825-SS316L fonctionnellement classés. La micrographie optique de l'Inconel 825 présente des structures dendritiques continues et discontinues. La région SS316L comprend 5 % de δ-ferrite dans des dendrites austénitiques primaires (γ), ce qui a été confirmé par le rapport Creq/Nieq de 1,305. L'interface fonctionnellement graduée révèle une zone partiellement mixte avec une transition des dendrites allongées aux fines dendrites équiaxes. Les propriétés de traction du mur fabriqué ont été déterminées à température ambiante à l'aide d'échantillons extraits d'Inconel 825, SS316L et des régions d'interface. La morphologie des éprouvettes testées en traction a révélé une déformation plastique significative, indiquant une rupture ductile. La ténacité à la rupture du mur a été étudiée expérimentalement en utilisant le test de déplacement d'ouverture de pointe de fissure (CTOD). La morphologie de la fracture présentait un mode de fracture ductile avec des stries perpendiculaires à la direction de développement de la fissure. La cartographie élémentaire a révélé qu’il n’y avait aucune preuve de ségrégation élémentaire sur les surfaces fracturées et que les éléments étaient uniformément dispersés. Le CTOD mesure respectivement 0,853 mm, 0,873 mm côté Inconel 825 et côté SS316L. Les résultats des tests confirment que les côtés Inconel 825 et SS316L ont une bonne ténacité à la rupture.

Tout au long de l’histoire, la capacité de comprendre et de manipuler les matériaux a été essentielle au progrès de la technologie. Les scientifiques et ingénieurs d'aujourd'hui comprennent la valeur des nouveaux matériaux en termes d'économie et d'environnement. Les matériaux fonctionnellement classés (FGM) sont des zones sophistiquées et extrêmement fonctionnelles dans une pièce qui présentent un changement constant de composition élémentaire, ce qui se traduit par des propriétés mécaniques ou thermiques nouvelles et personnalisées1. La capacité de développer des matériaux aux propriétés améliorées qui conviennent à diverses applications, notamment l’aérospatiale, la marine, l’ingénierie nucléaire et les revêtements de protection à haute température, a considérablement accru l’attention portée aux FGM2. La taille et les caractéristiques structurelles sont deux facteurs qui peuvent être utilisés pour classer les matériaux dégradés. Les dégradés peuvent être volumineux ou en section mince (comme les revêtements de surface), ce qui nécessite des techniques de traitement distinctes. Ils sont séparés en deux groupes : continus et discontinus, selon la structure. Dans les matériaux à gradients discontinus, la microstructure ou la composition chimique varie progressivement et l'interface est généralement perceptible et observable. À l’inverse, dans les matériaux à gradients continus, la composition chimique ou la microstructure change continuellement avec la position, ce qui rend presque impossible la perception d’une frontière distincte comme interface à travers la structure graduelle3.

Récemment, de nombreux chercheurs se sont concentrés sur les MGF à base de métal. Sobczak et al.4 ont discuté des processus de fabrication fondamentaux des MGF à base de métal. Domack et al.5 ont utilisé trois techniques de fabrication distinctes pour créer du FGM Inconel 718-Ti – 6Al – 4V. Il a été rapporté que les échantillons de dépôt de métal direct au laser présentaient une ségrégation élémentaire notable et des microstructures dendritiques grossières. À l’aide du soudage par transfert de métal à froid, Tian et al.6 ont examiné le comportement mécanique et microstructural d’alliages différents Ti – 6Al – 4 V et AlSi5 et ont découvert une fissure dans la couche d’interface. Il prend naissance au niveau de la couche d'interface et s'étend jusqu'au côté Al en raison de la différence de retrait de l'alliage entre Al et Ti. Niendorf et al.7 ont rapporté que la fusion sélective au laser (SLM) est utilisée pour fabriquer des pièces en acier inoxydable dotées de diverses fonctionnalités locales. Ils ont découvert qu’un gradient microstructural abrupt conduit à des propriétés mécaniques locales distinctes. Il a été démontré que le dépôt d'énergie dirigé pouvait être utilisé pour fabriquer des FGM à partir d'Inconel 625 et de SS304L et que les caractéristiques et les modèles thermodynamiques de ces matériaux ont été étudiés par Carroll et al.8. Les alliages d'Inconel sont difficiles à travailler car ils ont tendance à durcir pendant le traitement et à adhérer aux outils de coupe9,10. L'Inconel825 et le SS316L étaient des matériaux austénitiques à haute teneur en chrome, qui offrent une excellente résistance à la corrosion à haute température11. Des fissures de solidification peuvent survenir lors du soudage par fusion de ces deux matériaux. Le procédé WAAM basé sur le transfert de métal à froid (CMT) peut être utilisé pour éviter ce problème12. Le procédé CMT est un procédé de soudage à l'arc sous gaz modifié développé en 2004 par Fronius International, Autriche. Comme son nom l'indique, le WAAM basé sur CMT est un processus dans lequel le métal en fusion est transféré avec un très faible apport de chaleur pour fabriquer le mur. Le système d'automatisation intelligent et une tête de soudage avec un contrôleur intégré éloignent la charge du bain de fusion lorsqu'elle entre en contact, transférant mécaniquement le métal en fusion, réduisant ainsi la quantité de chaleur impliquée. De plus, pour augmenter la vitesse de refroidissement, des ailettes en aluminium et des ventilateurs sont installés sous le support de substrat. Cela améliore la qualité des pièces imprimées. De plus, le procédé WAAM basé sur CMT fournit un arc inébranlable, une meilleure stabilité du procédé et une dilution limitée13. Par conséquent, le WAAM basé sur CMT est un processus de fabrication additive hautement spécialisé avec un énorme potentiel de production de masse en raison de son taux de dépôt plus élevé, qui permet une fabrication plus rapide que tout autre processus de fabrication additive.