Usinage CNC · superalliage monocristallin CMSX-10
Aubes de turbine
Publié avec l’autorisation du client.
Aubes mobiles pour la turbine d’une centrale de cogénération, usinées en CMSX-10 — un superalliage de nickel monocristallin de troisième génération. La pièce de fonderie ne comporte aucun joint de grains. Le travail consiste à ce qu’il en reste ainsi.
Le matériau
Le CMSX-10 n’est ni coulé à grains fins, ni solidifié de façon dirigée. Il est élaboré sous forme d’un cristal unique, car c’est aux joints de grains que s’amorce la rupture par fluage aux températures de fonctionnement d’une aube de turbine — l’alliage est donc produit sans aucun joint.
Il contient environ 6 % de rhénium, soit le double des alliages de deuxième génération qu’il a remplacés, et présente la résistance au fluage la plus élevée de tous les alliages de nickel monocristallins de fonderie produits en série : environ 30 °C de mieux que le CMSX-4, avec une résistance à la fatigue deux à trois fois supérieure. Le rhénium compte parmi les métaux les plus rares utilisés dans l’industrie. Le brut arrive avec une valeur supérieure à celle de la plupart des pièces finies.
Pourquoi son usinage est un problème différent
Sur les métaux courants, une erreur d’usinage se voit immédiatement : une cote hors tolérance. Ici, elle peut se révéler des années plus tard, en service.
La coupe laisse une déformation plastique dans la couche superficielle. Dans un alliage monocristallin, cette déformation emmagasinée est un germe : à la température de fonctionnement, la couche endommagée peut recristalliser — former de nouveaux grains, séparés par des joints — dans une pièce dont toute la raison d’être était de n’en avoir aucun. L’aube passe le contrôle, tient toutes ses cotes, et a perdu sans bruit la propriété pour laquelle elle a été fabriquée.
La contrainte ne porte donc pas seulement sur la trajectoire de l’outil, mais aussi sur l’effort qu’il exerce pour la suivre. Les efforts de coupe doivent rester assez faibles pour laisser la couche superficielle non déformée, ce qui exclut les stratégies agressives qui rendent partout ailleurs l’usinage des matériaux durs rentable.
À cela s’ajoute que l’alliage se comporte sous l’outil comme tout superalliage de nickel, en plus marqué : il s’écrouit pendant la coupe, il transmet la chaleur à l’arête de coupe plutôt qu’au copeau, et ses précipités gamma prime ainsi que sa forte teneur en éléments réfractaires sont abrasifs.
Fiche technique
- Matériau
- CMSX-10 — superalliage de nickel monocristallin de troisième génération
- Teneur en rhénium
- ~6 % en masse
- Joints de grains
- aucun ; coulé en monocristal
- Type d’aube
- mobile
- Application
- turbine de centrale de cogénération