E DE PROCÉDÉS AVANCÉS DE RECHARGEMENT · Stellite 21 0,26 27,0 5,6 - 2,4 0,64 0,87 0,1 Bal....

Institut Mines-Télécom

EFFET DE PROCÉDÉS AVANCÉS DE RECHARGEMENT

DES SURFACES SUR LES MÉCANISMES DE

DÉFORMATION ET USURE DES OUTILLAGES DE

FORGEAGE À CHAUD DES PIÈCES AÉRONAUTIQUES

E. CABROL

C. BOHER, V. VIDAL, F. REZAÏ-ARIA, F. TOURATIER

Institut Mines-Télécom 2 11/12/2015

LOPIN

FORGEAGE À CHAUD

PIÈCE FORGÉE

TTH

USINAGE

ASSEMBLAGE

MÂT RÉACTEUR

Matrice supérieure

Matrice inférieure Matrice inférieure

Matrice supérieure

FN

Contexte industriel Forgeage à chaud de pièces pour l’aéronautique

Institut Mines-Télécom 11/12/2015

bavure

Matrice sup.

Matrice inf.

Lopin

RENFORCEMENT LOCAL

Matrice supérieure

Matrice inférieure Matrice inférieure

Matrice supérieure

FN

Lopin

préchauff

é

Pièce

matricée

3

Contexte industriel Forgeage à chaud de pièces pour l’aéronautique

FUITE DE

BAVURE

Stellite 21

MIG ÉCOULEMENT PLASTIQUE

Glissement lopin/matrice


Projet FUI

4 11/12/2015

ROOF : Revêtements Optimisés pour Outillages de Forge

Nouveaux matériaux

•

• Rp0,2 en température

• f

• Bonne adhérence

Nouveaux procédés : PTA et LASER

• Automatiser

• Dépôt multi-matériaux

MATÉRIAUX PROCÉDÉS


Projet FUI

5 11/12/2015

ROOF : Revêtements Optimisés pour Outillages de Forge

MIG PTA LASER

USINAGE

CARACTÉRISATION RECHARGEMENTS

ÉTUDE MÉCANISMES D’ENDOMMAGEMENT


SUBSTRAT

RECHARGEMENT

Matériaux

6 11/12/2015

%mass C Cr Mo Ni Fe

AD820 (42NiCrMo18) 0,42 1,6 0,5 1,5 Bal.

CARBURES quantité et nature ≠

SOLUTION SOLIDE

%mass C Cr Mo W Ni Mn Si Fe Co

Stellite 21 0,26 27,0 5,6 - 2,4 0,64 0,87 0,1 Bal.

Stellite 6 1,2 28,8 - 4,3 0,7 - 1,1 0,6 Bal.

MÉTASTABLE

Après rechargement :

µ-structuture = CFC

Stellites gardent structure CFC métastable à T ambiante

Stellites faible EDE (10-50 mJ/m2)

EDE dépend des éléments d’alliages :

Fe, Mn, Ni, C stabilisent structure CFC and EDE Cr, Mo, W, Si stabilisent structure HC and EDE


v

v

ÉLECTRODE (TUNGSTÈNE)

REFROIDISSEMENT EAU

ARC ÉLECTRIQUE

BUSE GAZ PLASMA

BUSE POUDRE

BUSE GAZ PROTECTEUR

GAZ PROTECTEUR

POUDRE

v

Procédés

7 11/12/2015

MIG PTA LASER

FIL Arc électrique

POUDRE Faisceau laser

POUDRE Arc électrique

DÉVIDOIR FIL

BUSE GAZ PROTECTEUR

ARC ÉLECTRIQUE

FIL DE RECHARGEMENT

GUIDE-FIL

GAZ PROTECTEUR

[Kennametal]

BUSE GAZ PROTECTEUR

BUSE GAZ PROTECTEUR

BUSE POUDRE

POUDRE

TÊTE LASER

LUMIÈRE LASER

GAZ PROTECTEUR

MIG PTA LASER

Apport d’énergie ++++ ++ +

[Levêque, R. (2007), Traitements et revêtements de surface des métaux (p. 243)]

[Kennametal] [Kennametal]

Stellite 21 (ST21) Stellite 21 (ST21)

Stellite 6 (ST6)

Stellite 21 (ST21)

Stellite 6 (ST6)


Dilution du Fe

8 11/12/2015

A = volume de matériau d’apport B = volume de substrat fondu

Substrat

Interface B

TENEUR EN FER

Stellite 21

MIG

SUBSTRAT

RECHARGEMENT

Fe

A

Rechargement

Fe


Microstructure :

influence du procédé

9 11/12/2015

MIG PTA LASER

6 µm

20µm

20 µm

13 µm

Stellite 21


Dureté : Dilution & Teneur en fer

10 11/12/2015

325

351

409430

460

570

250

300

350

400

450

500

550

600

650

ST21-MIG-1c ST21-MIG-2c ST21-PTA ST21-LASER ST6-PTA ST6-LASER

Duretéinialedesrechargements(HV0,3)

36,6

17,8

5,4

0,5

%m

ass F

er

10

20

30

40

0

Ste

llit

e 2

1

MIG

1mm

MIG

3mm

PTA

3mm

LASER

3mm


Tribomètre fortes charges à chaud

11 11/12/2015

Pilotage et

contrôle

température

(induction)

Pilotage

mouvement

(moteur)

Acquisition :

• effort normal

• efforts tangentiels

• température

Moteur

Arrivée d’air

refroidissement

Coffret

d’adaptation

(induction)

Partie active

Spires

d’induction

Spires

refroidissement

(air)

4 2

3

w

FIXE

PARTIE ACTIVE

ÉCHANTILLONS

1

5

5 4

3

2

1

Institut Mines-Télécom 12 11/12/2015

FN

ω

Température initiale

du contact (°C) 20, 450, 600

Charge normale (daN) 800

Vitesse de rotation (mm/sec) 5

Distance de glissement (m) 4

RECHARGEMENT

ACIER

(AD820)

INCONEL 718

Échantillons et paramètres d’essais

ÉCHANTILLONS

ACIER

RECHARGEMENT

LOPIN en

INCONEL 718

Analogie cas industriel


Déformation plastique de la surface des rechargements

ST21-MIG ST21-LASER ST6-LASER

ST21-MIG ST21-LASER

Main velocity accomodation mechanism

=

shearing of dendritic and interdendritic spaces.

Grain reorientation according to the sliding direction

Dendrites: large plastic flow

13


362

426

508

680697

717

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

ST21-MIG ST21-LASER ST6-LASER

Hardnessoftheslid

ingsurfaces(HV0,3)

BEFORESLIDING AFTERSLIDING(30µmfromthesurface)

Ecrouissage sous sollicitations tribologiques

+88%

+64%

+41%

Hardness

Max value ≈ 700HV0,3

14


Evolution du facteur de frottement

CoefMIG > CoefLASER

LASER - Stellite 6

LASER - Stellite 21

MIG - Stellite21

LASER = decrease and stabilization

15

MIG = stable


Structure cristallographique après essai

tribologique dans les zones de contact

16 11/12/2015

0

20

40

60

80

100

35 45 55 65 75 85 95 105 115 125

Intensité(%)

2θ(°)

(111)

(200) (220) (311) (222)

CFC CFC

STABLE

CHUTE

puis

STABLE

Exemple ST21-MIG

0

20

40

60

80

100

35 45 55 65 75 85 95 105 115 125

Intensité(%)

2θ(°)

(1010)

(1011)

(1012) (1120) (1013) (1122)

(0004) (2021)

(0002)

CFC HC

Exemple ST21-LASER


Dilution Fe influence énergie de défaut d’empilement (EDE)

& mécanismes de εP

Glissement de dislocations parfaites

Réorientation de grains

GDP + Transformation de phase

CFC => HC

Coefficient de frottement Coefficient de frottement

MIG PTA /

LASER Forte dilution

(30wt%-Fe)

Procédé influence dilution du Fe

Faible dilution

(


Conclusion

Comparaison des 3 types de rechargements • MIG

• Laser

• PTA

Rechargements industriels sur matrices aéronautiques

Le laser et le PTA donnent de bons résultats également sous presse industrielle

Baisse significative du coefficient de frottement dans le cas des rechargements PTA et laser • changement de phase CFC/HC

• En lien direct avec la dilution engendrée par lors du rechargement

18

Métallurgie de soudage différente

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