CEA-N-1251

- Note CEA - N - 1251 -

Centre d1Etudes Nucléaires de Cadarache

Département de Développement des Eléments Combustibles

Service de Développement des Eléments Combustibles

L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

ETUDE DU PROCEDE, DES APPLICATIONS ET DU CAS PARTICULIER DU

PRELEVEMENT D'EPROUVETTES D'ESSAIS DANS LES

ELEMENTS COMBUSTIBLES TYPE BUGEY

par

Antoine Henri BRET

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CEA-N-1251 - BRET Antoine Henri

L'USINAGE ELECTROLYTIQUE - ETUDE DU PROCEDE, DES APPLICATIONS ET DU CAS PARTICULIER DU PRELEVEMENT D'EPROUVETTES D1ESSAIS DANS LES ELEMENTS COMBUSTIBLES TYPE BUGEY

Sommaire, - Les principes de base, les analogies, les différences des procédés d'usinage électrolytique et électroérosian sont rappelés pour éviter certaines confusions.

Les avantages inhérents au procédé électrolytique ont imposé ces dernières années, cette technique d'usinage à l'industrie,

L'influence de l'usinage électrolytique sur les propriétés mécaniques des métaux est analysée,

Le procédé est influencé par un certain nombre de paramètres qui ont une action directe sur l'espace interélectrodes et sur la précision.

Les formules utilisées dans les calculs (quantité de métal usiné, vitesse d'avance .• , ) sont établies à partir des principes de base de l'électrochimie (loi de FARADAY, loi d'OHM •• , ).

De nombreuses applications sont décrites. Une étude économique basée sur la fabrication des aubes de turbine à gaz

met en relief l'intérêt de ce procédé dans la fabrication de grandes séries .

CEA-N-1251 - BRET Antoine Henri

ELECTROCHEMICAL MACHINING - PROCESS - APPLICATIONS - SPECIAL STUDY ON THE TREPANNING OF TEST SPECIMENS IN POWER REACTOR FUEL ELEMENTS TYPE BUGEY

. /.

Summary,- Similarity in the Electrochemical Machining (ECM) and Electrical­Discharge Machining (EDM) processes has been a source of confusion : so principles of both methods are compared.

Advantages inherent in ECM process have come, in the past few years, ECM into prominence in the metal working industry.

The effects of ECM on the mechanical properties of metal are reviewed. This process is influenced by a number of variables which can cause loss

of accuracy in the part dimensions if it is not carefully controlled. Factor affecting the working gap are discussed,

The metal remora! rate, controlled by FARADAY 1S Law of electrolysis is calculated and formulas used in calculations are developed from basic con­cepts of electrochemistry,

Numerous applications of ECM are included and illustrated. An economical study of gas turbine blades shows that ECM excells also in run-of-the mill machining production.

. /.

Les essais de contrOle de l'adhérence de la liaison métallurgique combus­tible-gaine des éléments combustibles BUGEY ont nécessité le trépannage d'éprouvettes par un procédé qui n'induise pas de contraintes thermiques ou de craquelures à l'interface.

L'étude théorique des réactions électrochimiques susceptibles de se pro­duire a été effectuée à partir des diagrammes d1équiÜbre magnésium-eau et uranium-eau.

Les essais ont été effectués avec une machine de laboratoire de 500 A avec un électrolyte à base de nitrite de sodium.

1970 90 p.

Commissariat 'à l'Energie Atomique - France

The mechanical testing of adhesive metallurgical bond between the magne­sium canning and the metallic uranium fuel of the power reactor fuel element type BUGEY has necessited the trepanning of test specimens by a process which does not induce thermal effects or even cracks at the interface.

Theoretical study based on the potential-pH equilibrium diagrams magne­sium and uranium water has been developed to find the conditions under which oxidation and reduction reactions are possible or impossible in the presence of aqueous solutions,

The formulation of equilibria of the reactions and the resulting chemical reaction produced at the anode and cathode surfaces are given.

Experiments are carrieq out with a 500 A laboratory machine, Sodium ni­trite was used as electrolyte and optimum operating parameters are determi-ned. -

Factors affecting the working gap are 'discussed along with the electro­chemistry of the process and suggestions are given,

1970 90 p.

Commissariat à l'Energie Atomique - France

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Centre d1Etudes Nucléaires de Cadarache

Département de Développement des Eléments Combustibles

Service de Développement des Eléments Combustibles

L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

ETUDE DU PROCEDE, DES APPLICATIONS ET DU CAS PARTICULIER DU

PRELEVEMENT D'EPROUVETTES D'ESSAIS DANS LES

ELEMENTS COMBUSTIBLES TYPE BUGEY

par

Antoine Henri .BRET

- FEVRIER 1970-

• INTRODUCTION

Il - CONCLUSIONS ET CRITIQUES

Ill ·GENERALITES SUR LES PROCEDES ELECTRIQUES D'USINAGE PAR

ELECTROEROSION ET ELECTROLYTIQUE

A • Usinage par électroérosion

1°. - Principe de base

2°. - Appareillage

3°. - Mécanisme de formation et d'action de l'étincelle

B • Usinage électrolytique

1°. - Principe de base

2°. -Appareillage

3°. - Comparaison rapide des procédés d'usinage électrcl~ique et électre­érosion

IV • QUELQUES CARACTERISTIQUES SPECIFIQUES DE L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

A· Généralités

B. Influence de l'usinage électrolytique sur les propriétés mécaniques des métaux

1°. -Fragilisation par l'hydrogène

2°. - Influence sur la résistance à la traction

3°. - Influence sur la résistance à la fatigue

C. Influence des paramètres sur la qualité de l'usinage

V • POSSIBILITES ET APPLICATION DE L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

A· Domaine d'application

B. Exemples type d'application dans l'industrie

1°. - Fabrication d'ailettes et de rotors de turbines

2°. Prélèvement d'éprouvettes d'essais mécaniques

3°. - Usinage de matrices de forge

~o. Usinage d'un empilage de tôles minces

5°. - Affûtage des outils

6°. - Usinage du titane

7°. - Ebavurage

C ·Exemples type d'application dons l'industrie nucléaire

1°. -Usinage du béryllium

2°. - Tronçonnage de monocristaux d'uranium

3°. - Usinage de grilles et entretoises pour E.C.

4°. - Usinage d'un nid d'abeille dans une plaque d'acier

5°. - Usinage de tubes de force des réacteurs canadiens 11 CANDU"

6°. - Tronçonnage et lixiviation électrolytique simultanés des éléments combustibles irradiés

7°. - Usinage en milieu actif

D • Aspect économique

- Fabrication

- Frais d'entretien

- Amortissement

VI • PRELEVEMENT D'EPROUVETTES DANS LES ELEMENTS COMBUSTIBLES BUGEY

A · Données du problème

B • Etude électrochimique du problème

- Choix de l'électrolyte

- Réactions anodiques

- Réactions cathodiques

- Bilan global

Cas du magnésium

- Cas de l'uranium

- Influence sur le pH

- Autres variations

C • Détermination théorique des jeux cathode· anode

- Cas du magnésium

- Cas de l'uranium

D • Essais effectués en vue de diminuer les jeux réels entre l'outil .et la piéce

E • Principaux problèmes rencontrés ou cours de l'usinage

- Piqûres du magnésium

- Corrosion par formation de pile

Hétérogénéité de l'uranium

- Usinage des ailettes de magnésium

F • Résultats

- Conditions d'usinage - Aspect métallurgique

Aspect extérieur des éprouvettes

VIl • BIBLIOGRAPHIE

SUMMARY

Similarity in the Electrochemical Machining (ECM) and Electrical-Discharge

Machining (EDM) processes has been a source of confusion; so principles of both methods

are compared.

Advantages inherent in ECM : Stress and burr-free machining,elimination of

thermal damage to workpiece surfaces, absence of tool wear, machining of complex shapes

in one operation, process not affected by metal hardness or thoughness, high metal remo­

val rates with outstanding surface finishes, ability to duplicate parts repeatedly have

come, in the past few years, ECM into prominence in the metal working industry.

The effects of ECM on the mechanical properties of metal are reviewed. The

fatigue strengths are found generally lower than those machined by conventional methods

but the fatigue properties can be raised by the use of simple post-machining methods,

such as shotpeening.

The ECM process is not without problems.

This process is influenced by a number of variables which can cause loss of

accuracy in the part dimensions if it is not carefully controlled. Factor affecting the

working gap are discussed.

The metal remoral rate, controlled by FARADAY'S Law of electrolysis is calcu­

lated and formulas used in calculations are developed from basic concepts .of electroche­

mistry.

Numerous applications of ECM are included and illustrated. The ECM Process

appears to be useful :

- for production machining of hardened workpieces or alloys difficult to ma­

chine by convention methods (gas and steam turbine blades, punch and forging

dies, power reactor fuel element grids, ••• );

- for manufacturing process of eccentric machined reactor pressure tubes;

- for disassembly-cutting and simultaneous lixiviation of metal clad oxide

power reactor fuels.

An economical study of gas turbine blades shows ~at ECM excells also in run­

of-the mill machining production.

- 2 -

The mechanical testing of adhesive metallurgical bond between the magnesium

canning and the metallic uranium fuel of the power reactor fuel element type Bugey has

necessited the trepanning of test specimens by a process which does not induce thermal

effects or even cracks at the interface. For this purpose ECM process has been used.

Theoretical study based on the potential -pH equilibrium diagrams magnesium

and Uranium water has been developed to find the conditions under which oxidation and

reduction reactions are possible or impossible in the presence of aqueous solutions.

The formulation of equilibria of the reactions and the resulting chemical

reaction produced at the anode and cathode surfaces are given.

Experimente are carried out with a 500 A laboratory machine. Sodium nitrite

was used as electrolyte and optimum operating parameters are determined.

Factors affecting the working gap are discussed along with the electroche­

mistry of the process and suggestions are given to avoid disturbed areas at the inter­

faces Magnesium-Uranium.

- 3 -

RESUME

Les principes de base, les analogies, les différences des procédés d'usinage

électrolytique et électroérosion sont rappelés pour éviter certaines confusions.

Les avantages inhérents au procédé électrolytique : absence de contraintes

mécaniques et thermiques à la surface des pièces, absence de contact physique entre

l'outil et la pièce, obtention en une opération de formes complexes dans les matériaux

réputés les plus durs, les plus fragiles à usiner, possibilité de reproduire rapidement

des pièces à l'état de finition, ont imposé ces dernières années, cette technique d'usi­

nage à l'industrie.

L'influence de l'usinage électrolytique sur les propriétés mécaniques des mé­

taux est analysé. En général la résistance à la fatigue est plus faible avec les éprou­

vettes usinées électrolytiquement mais la limite d'endurance peut être augmentée par un

traitement de surface (grenaillage).

Le procédé est influencé par un certain nombre de paramètres qui ont une ac­

tion directe sur l'espace interélectrodes et sur la précision.

Les formules utilisées dans les calculs (quantité de métal usiné, vitesse

d'avance ••• ) sont établies à partir des principes de base de l'électrochimie (loi de

FARADAY, loi d'OHM .•. ).

Des nombreuses applications référencées, il ressort que, le procédé électroly­

tique apparaît très intéressant pour :

- la production de pièces en métal à haute dureté ou difficiles à usiner par

les procédés classiques (aubes de turbines à gaz, à vapeur, matrices de

forge, grilles d'éléments combustibles ••• );

-le calibrage de tubes extrudés (tubes de force de réacteurs);

- le tronçonnage et la lixiviation électrolytique simultanés des éléments

combustibles irradiés.

Une étude économique basée sur la fabrication des aubes de turbine à gaz met

en relief l'intérêt de ce procédé dans la fabrication de grandes séries.

Les essais de contrôle de l'adhérence de la liaison métallurgique combustible­

gaine des éléments combustibles BUGEY ont nécessité le trépannage d'éprouvettes par un

procédé qui n'induise pas de contraintes thermiques ou de craquelures à l'interface.

- 4 -

Dans ce but le procédé électrolytique est employé.

L'étude théorique des réactions électrochimiques susceptibles de se produire

a été effectuée à partir des diagrammes d'équilibre magnésium-eau et uranium-eau.

Les essais ont été effectués avec une machine de laboratoire de 500 A avec un

électrolyte à base de nitrite de sodium.

- 5 -

1 · INTRODUCTION

La mise au point d'un procédé de fabrication de la liaison métallurgique

combustible-gaine des éléments combustibles BUGEY pose le problème du contrôle de l'ad­

hérence des couches diffusées. Ce contrôle consiste essentiellement en la mesure sur

machine de 'traction de la force qu'oppose à l'arrachement 1 cm2 de gaine (interne ou

externe). Des essais de traction sont pratiqués sur des éprouvettes cylindriques préle­

vées par carottage dans le plan de symétrie des centreurs, la présence d'un élément de

centreur permettant l'accrochage de la broche de traction. Dans un but de simplifica­

tion des moyens à mettre en oeuvre, les essais sont généralement pratiqués sur la gaine

externe et dans ce cas le carottage n'est effectué qu'à mi-épaisseur de l'uranium.

Le prélèvement des éprouvettes est effectué par usinage mécanique à la fraise

(SERCA, SICN) par électroérosion SICN et LECA avec la machine existant dans une cellule

chaude.

La grande dispersion des résultats obtenus avec des éprouvettes usinées par

ces procédés nous a amené à envisager l'usinage électrolytique qui ne présente pas les

inconvénients de l'usinage mécanique (efforts de coupe, vibrations ••• ) et de l'électre­

érosion (chocs thermiques, vibrations qui fragilisent la zone UA12 ) [1] mais qui comme

ce dernier procédé permet un enlèvement de matière sans intervention mécanique directe

de l'outil et qui de plus peut s'appliquer facilement sur des éléments irradiés.

A l'étranger (U.S.A., U.R.S.S., Angleterre), l'usinage électrolytique (U.E.)

que l'on nomme usinage électrochimique (E.C.M.) dans les pays angle-saxons est largement

sorti de la phase expérimentale pour devenir un procédé industriel de travail qui rend

de grands services. Au C.E.A. ce procédé a déjà fait l'objet d'un contrat (SEEC-SACLAY/

SEPI) pour l'usinage des grilles EL 4 en zircalloy, mais comme aucun rapport technique

n'a été publié sur le sujet, il nous a paru intéressant de sortir du cadre étroit du

trépannage d'éprouvettes cylindriques dans les éléments gainés BUGEY pour essayer de

faire le point sur les possibilités, les avantages, les inconvénients de l'usinage élec­

trolytique car nous pensons que l'évolution et le progrès des techniques atomiques sont

souvent conditionnés par la possibilité d'usiner des matériaux spéciaux et de réaliser

des performances en usinage.

Nous donnons dans ce qui suit :

- la définition et la description succincte des deux procédés électriques

d'usinage : électroérosion et électrolytique;

- quelques caractéristiques spécifiques de l'usinage électrolytique;

-les possibilités et les domaines d'application de l'usinage électrolytique

dans l'industrie classique et dans l'industrie nucléaire;

- les essais et résultats des prélèvements pratiqués sur l'élément BUGEY.

- 6 -

Il . CONCLUSION ET CRITIQUES

Les prélèvements effectués sur les éléments gainés BUGEY montrent que le pro­

cédé d'usinage électrolytique caractérisé par l'absence de contact physique entre l'ou­

til et la pièce à usiner, permet d'extraire des éprouvettes exemptes de contraintes su­

perficielles, de fissuration dans la zone fragile UA12 et de corrosion intergranulaire

aussi bien dans le magnésium que dans l'uranium. Par ailleurs en cours d'usinage, l'é­

prouvette n'est ni soumise à des chocs thermiques, sa température étant maintenue à

55° ~zoe, ni à des efforts de vibration. Par contre, l'éprouvette ne se présente pas

sous la forme d'un cylindre de diamètre constant mais sous la forme d'un empilement de

3 cylindres, le diamètre du tronçon d'uranium étant supérieur à celui des 2 autres

tronçons de magnésium.

Comme nous l'exposons au § B 1, cette géométrie est inévitable du fait que

nous sommes en présence de deux matériaux ayant des coefficients caractéristiques de

l'espace interélectrodes différents, et que le jeu diamétral résultant entre l'outil et

l'éprouvette est proportionnel en valeur absolue à ce coefficient. Néanmoins cette dif­

férence de diamètre, qui demeure constante avec précision au cours des prélèvements,

ne met pas en cause les essais de mesure de la résistance de la liaison métallurgique

combustible-gaine.

Si cette méthode de prélèvement était adoptée pour le contrôle de la fabrica­

tion en série des éléments BUGEY, la Société SEPI serait en mesure de concevoir les

ensembles d'usinage.

En dehors de cette application particulière et propre à l'énergie nucléaire,

nous pensons que les quelques exemples cités dans ce rapport technique (fabrication

d'ailettes de turbines, prélèvement d'éprouvettes d'essais de fatigue, usinage du ti­

tane, du béryllium, de monocristaux d'uranium, usinage de matrices, de grilles pour

éléments combustibles, tronçonnage et lixiviation d'éléments combustibles irradiés)

suffisent à montrer que l'usinage électrolytique a devant lui un vaste champ d'applica­

tion. Cependant, malgré sa particularité remarquable de pouvoir travailler rapidement

tout en fournissant une pièce à l'état de finition (on ne connaît pas d'autres méthodes

possédant cette propriété), il ne faut pas s'attendre à ce que ce procédé élimine dans

les jours à venir les méthodes d'usinage qui ont fait leur preuve dans le passé; mais

dans des domaines restés difficiles ou inabordables par des méthodes classiques, il

joue déjà et il jouera de plus en plus un grand rôle, le rendement de dépendant pas

contrairement à l'usinage par coupé de la dureté des métaux usinés.

Tout au long de ce rapport, nous avons montré les nombreux avantages de ce

procédé et très peu insisté sur les inconvénients. Il est vrai que ceux-ci sont plus

difficiles à saisir en l'absence d'une plateforme d'expérimentation, et que nos contacts

avec les utilisateurs n'ont pas été aussi nombreux qu'ils auraient dû être.

Les principaux inconvénients de ce procédé, dans l'état actuel du développe­ment de la technique sont de deux ordres :

- 7 -

- en l'absence de fabrication en série chez les constructeurs, et de concur­

rence réelle (les principaux représentants européens ou japonais étant li­

cenciés du même constructeur américain), l'équipement est relativement cher

à l'achat;

- les problèmes rencontrés par l'exploitation ne sont pas encore familiers aux

usineurs.

Nous pensons qu'il est important d'insister sur le fait que l'usinage électro­

lytique est une technique qui sort largement du cadre des méthodes classiques, et que

pour cette raison il est nécessaire

d'effectuer souvent des études préalables en laboratoire de mise au point

de l'outil;

de disposer d'un personnel ayant des connaissances techniques et scienti­

fiques supérieures à ce que l'on peut imaginer à première vue.

En dehors de ces problèmes d'ordre pratique, beaucoup de sujets qui entrent

dans le cadre de la recherche fondamentale et de la recherche appliquée ne semblent pas

avoir été étudiés.

Les questions suivantes

- Comment est constitué l'espace interélectrodes ?

- Comment relier l'état de surface à la structure métallurgique ?

- Quelle est l'influence de l'usinage électrolytique sur :

• la limite élastique, la résistance à la fatigue thermique, la résistance

à la corrosion ?

- Quelle est l'influence des électrolytes acides sur la fragilisation par

l'hydrogène ?

constituent autant de problèmes à résoudre qui ne manquent pas d'intérêt pour l'Indus­

trie Française.

- 8 -

Ill - GENERALITES SUR LES PROCEDES ELECTRIQUES D'USINAGE

PAR ELECTROEROSION ET ELECTROLYTIQUE

Pour éviter certaines confusions, il nous paraît utile de rappeler d'abord

brièvement le procédé d'usinage par électroérosion, et d'établir à la fin de ce para­

graphe, les principales analogies et différences de principe des deux procédés élec­

triques. [2] [5] [6] [11] [14] [28]

A - Usinage par électraérosion

1°. Principe de base

L'usinage par électroérosion consiste en un enlèvement de métal, par décharge

électrique, entre deux électrodes non en contact.

Les deux électrodes qui constituent l'outil de travail et la pièce à usiner

sont polarisées de façon que l'arrachement de matière ne les affecte pas également. En

jouant sur la polarisation des électrodes et sur les conditions de génération des étin­

celles, il est possible de réaliser le maximum d'usure sur la pièce à usiner. Pour éli­

miner les déchets métalliques formés, les électrodes sont plongées dans un liquide dié­

lectrique (pétrole, huile de transformateur) véhiculé en permanence par circulation

forcée.

Après un certain temps de travail, le résultat de cette action se manifeste

par la formation d'une empreinte dans la pièce à usiner. Cette empreinte reproduit le

profil inverse de l'outil.

2°. Appareillage

Les unités d'usinage par électroérosion se composent essentiellement

- d'un générateur d'étincelles

Sans entrer dans le détail de la technologie des générateurs, nous mentionnerons sim­

plement qu'ils peuvent être classés en deux groupes :

les générateurs à "caractéristique dépendante" dans lesquels le jaillisse­

ment de l'étincelle est gouverné par la tension existant entre les électro­

des, c'est-à-dire de l'espace interélectrodes;

les générateurs à "caractéristique indépendante" dans lesquels la décharge

est commandée indépendamment de l'espace interélectrodes.

- 9 -

• Caractéristiques électriques :

Des générateurs fournissant un courant de 100 A sous 40 V et sous une fré­

quence comprise entre 18 000 et 130 000 Hz ont été réalisés à ce jour.

d'une enceinte de travail proprement dite :

Cet équipement, dont la conception s'apparente à celle des machines-outils classiques

du type perceuse possède, comme ces dernières, des commandes manuelles de positionne­

ment, et une commande automatique de descente de l'outil.

Dans la plupart des appareillages existants, l'approche automatique de l'électrode et

son réglage, au fur et à mesure de la progression du travail, sont commandés par la

tension qui règne entre les électrodes. Cette tension est comparée à une tension de

référence prédéterminée, et la résultante après amplification asservit un dispositif

mécanique de positionnement.

- de circuits annexes de circulation et purification du diélectrique :

Le schéma de la figure n°1 [3] illustre la conception d'une machine à usiner par élec­

troérosion.

3°, Mécanisme de formation et d'action de l'étincelle

Selon la théorie généralement admise :

• -la différence de potentiel créée aux bornes de l'espace interélectrodes

conduit à une ionisation du milieu diélectrique, et lorsque cette ionisation

est suffisante, un canal conductif prend naissance et l'étincelle jaillit.

Etant donné la faible dimension du canal conductif, la densité d'énergie

(au point d'impact de la décharge) est élevée, et le métal est arraché sous

forme de vapeur et de liquide par les étincelles électriques successives,

tandis qu'une pellicule sous jacente est portée à haute température (plus

de 12 000°C selon certains expérimentateurs).

Il résulte de ceci :

a) une dispersion irrégulière de gouttelettes métalliques et une succession de cratères

sur la surface donnant à la pièce sa rugosité.

En général, le diamètre des cratères ne dépasse pas 0,5 mm et la profondeur est de

l'ordre de 0,05 mm.

b) une surface altérée (par l'élévation de la température) qui présente deux zones :

- une couche superficielle d'épaisseur variable, correspondant à du métal re­

froidi rapidement à partir de l'état liquide, et probablement carburé par

les vapeurs du diélectrique. Cette couche est souvent dure et fragile;

- une zone où le métal a subi des transformations structurales.

- 10 -

c) des effets de chocs thermiques pouvant être à l'origine de criques superficielles et

intergranulaires.

NOTA Les spécialistes de l'aéronautique estiment que ces différentes structures

superficielles ont une influence sur les propriétés mécaniques et notamment sur la tenue

à la fatigue.

Nous empruntons aux travaux de Mme P. BOUCHET et René CHAZOT du S.R.M.P.C.

(SACLAY) [4] sur le découpage de monocristaux d'uranium par électroérosion les observa­

tions suivantes :

•

"Au microscope optique, après une coupe assez lente pour ne pas trop perturber

"le métal, on observe qu'à une distance du bord coupé d'environ 100 microns,

"les grains ct de l'uranium sont maclés et après examen aux rayons X, cette

''zone maclée présente de l'astérisme : l'écrouissage est donc assez impor-

"tant".

B • Usinage électrolytique

1°. Principe de base

- L'usinage électrolytique englobe tous les procédés qui engendrent un enlè­

vement électrochimique de métal dans un dispositif comportant une électrode pièce (ano­

de) et une électrode outil (cathode), immergée dans un électrolyte et reliées à une

source de courant continu. Ce procédé d'usinage est une application directe de l'élec­

trolyse et l'enlèvement de matière sur la pièce est conditionné par la loi de FARADAY.

Dans cette application, l'oxydation anodique se traduit par une dissolution de métal et

la réduction cathodique par un dégagement d'hydrogène de manière à ce qu'il n'y ait au­

cune modification géométrique de la cathode soit par dissolution, soit par dépôt.

- Plusieurs différences essentielles distinguent l'usinage électrolytique et

l'électrolyse classique :

Pour obtenir un enlèvement très rapide de métal et parallèlement des vitesses d'a­

vance de l'outil les plus élevées possible, il est nécessaire d'utiliser des densités

de courant elles-mêmes très élevées (quelques dizaines d'ampères à 800 A/cm2) et

d'obtenir une résistance électrique faible de l'électrolyte. C'est pourquoi celui-ci

se présente sous la forme d'un film de quelques centièmes à quelques dixièmes de

millimètre d'épaisseur.

- 11 -

NOTA: Dans les électrolyses normales les densités de courant sont de l'ordre de

1 A/cm2.

Les conditions d'usinage sont telles que l'appauvrissement en ions de la zone de

travail est rapide, ce qui impose pour la continuité de l'usinage un renouvellement

permanent de l'électrolyte. Pour cela on véhicule entre la pièce et la face active

de l'outil un fort débit d'électrolyte. En outre, l'électrolyte sert à évacuer la

chaleur produite par effet Joule et à maintenir la pièce à une température pas trop

élevée (40 à 60°C).

Les faibles espaces interélectrodes exigent des pompes puissantes donnant des pres­

sions de refoulement de l'ordre de 15 à 30 bars, capables de véhiculer l'électrolyte

à des vitesses de l'ordre de 20 rn à 30 rn/sec.

Pour une machine de 20 000 A, si la chute ohmique est de 15 volts, la quantité de

chaleur communiquée à l'électrolyte est de 300 KW soit 71 kcal/seconde. Pour une dif­

férence de température de l'ordre de 2°C entre l'entrée et la sortie de l'électro­

lyte, le débit correspondant est de 126 m3/h (35 L/s). Ce débit est nettement plus

important que celui nécessaire au renouvellement des ions dans l'espace interélec­

trode.

Par suite la chaleur produite est évacuée par un réfrigérant.

Une des conditions de l'usinage électrolytique étant de ne pas modifier l'outil

(cathode) au cours de l'opération, le travail s'effectue en solution aqueuse dans la

plupart des cas, pour dégager de l'hydrogène à la cathode. La dissolution du métal de

la pièce provoque en fonction du choix de l'électrolyte la formation de composés so­

lubles ou insolubles. D'une façon générale, les applications de perçages profonds et

de faibles diamètres mises à part, les électrolytes retenus engendrent la formation

d'hydroxydes qui précipitent.

Ces phénomènes se traduisent par

- un accroissement du pH de la solution (alcalinisation)

- une consommation d'eau

- une variation de concentration de l'électrolyte.

En pratique, les appareils sont conçus et dimensionnés pour l'utilisation en circuit

.fermé d'un volume déterminé d'électrolyte et l'élimination en continu des hydroxydes.

La figure N°2 illustre les conditions initiales et finales de ce procédé d'usinage

avec un outil à profil curviligne. Quand le courant traverse l'électrolyte, la dis­

tribution des densités de courant à la surface de la pièce à usiner est déterminée

par le profil de la cathode. Cette distribution est plus dense dans les zones où

l'espace interélectrodes est plus faible et dans ces zones la concentration des

- 12 -

lignes de courant produit un enlèvement préférentiel de métal. Le résultat de cette

action a pour effet d'uniformiser les densités de courant et de produire dans la

pièce le profil inverse de l'outil. Par suite le profil de la pièce à obtenir est

parfaitement déterminé par le profil de la cathode outil et par le mouvement relatif

de l'outil et de la pièce durant l'usinage.

2°. Appareillage

Comme pour les machines outils classiques, la conception, les caractéristiques

dimensionnelles, la puissance électrique des unités d'usinage électrolytique, dépendent

essentiellement du type de travail à effectuer (percage, enlèvement de métal suivant une

forme géométrique définie, rectification, découpage ••• ), des dimensions de la pièce, de

la capacité de production souhaitée.

Les unités d'usinage électrolytique c6mportent essentiellement

La capacité de ce genre de machine est fonction de la puissance de son générateur.

En effet, comme l'on doit généralement atteindre une densité de courant de plus d'une

centaine d'ampères par cm2 de surface de travail; il faut avoir un générateur dont

la puissance soit proportio~nelle à la surface des pièces à usiner.

Le générateur doit fournir un courant continu ou simplement de polarité constante,

sous une tension de 10 à 35 volts et être susceptible de débiter un courant de 500 A

pour les machines de laboratoire, à 40 000 A et même davantage pour les appareils

industriels. Un projet anglais vise actuellement 50 000 A [5].

Les densités de courant optimales varient suivant le genre d'usinage à effectuer. Les

valeurs les plus fréquemment utilisées sont comprises entre 50 et 200 A/cm2.

Le générateur comporte un dispositif limiteur d'intensité pour éviter une détériora­

tion de la pièce usinée et de l'électrode-outil en cas de court circuit accidentel.

b) Un ensemble de travail ----------------------Cet équipement dont la conception s'apparente à celle des machines outils classiques

se compose des unités suivantes

un bâti pour supporter les efforts dus à la pression de l'électrolyte;

- une table de travail généralement en métal non corrosif (acier inox, hastel­

loy ••• );

- une tête munie d'un guidage du plateau porte-électrode et d'un dispositif

d'avance à vitesse réglable. Pour certaines machines de laboratoire, la tête

est fixe et le plateau support de pièce est mobile;

- une enceinte de travail assurant une protection contre toute éclaboussure

d'électrolyte et de sortie de brouillard. Une porte vitrée permet l'accès

- 13 -

la zone de travail pour fixer les pièces à usiner.

Cet ensemble comporte généralement sur les grosses machines une centrifugeuse pour

éliminer les résidus d'usinage (hydroxydes de fer).

Un poste de contrôle centralisé groupe l'ensemble des commandes, des signalisations,

des alarmes, des verrouillages de l'instrumentation de mesure.

Les unité~ de grosse capacité sont pourvues des derniers perfectionnements apportés

récemment à la technique de l'usinage électrolytique : système de détection automa­

tique d'arcs par anticipation, affichage digital de l'avance de l'outil, possibilité

d'adaptation de commande numérique automatique avec cycle présélectionné

Nous avons résumé ci-après les principales analogies et différences de prin­

cipe des deux procédés.

- le matériau à usiner doit être conducteur de l'électricité;

- le passage de courant provoque un enlèvement de matière;

-l'absence de contact entre l'outil et la pièce;

-un fluide thermostaté est véhiculé sous forte pression dans l'espace interélec­

trodes;

- les conceptions générales des machines se ressemblent;

-les deux procédés permettent l'obtention de formes complexes jusqu'ici réputées

irréalisables par les méthodes classiques, ceci dans les matériaux les plus durs,

les plus fragiles ou les plus difficiles à usiner.

- évaporation du métal dans un cas, attaque électrochimique dans l'autre;

- le fluide de balayage est conducteur en usinage électrolytique et diélectrique en

électroérosion;

- le courant fourni aux bornes des électrodes est continu dans un cas et pulsé sous

polarité constante dans l'autre;

contrairement à ce qui se passe en électroérosion, l'électrode outil ne s'use pas

en usinage électrolytique et sa partie non active peut être isolée électriquement

pour éviter un usinage parasite (intérêt dans les perçages profonds - voir fig. n°3).

- 14 -

NOTA: On ne saurait assez faire ressortir l'importance de ce dernier point : une

machine dont l'outil ne s'use pas offre, en plus de l'économie, des possibilités jus­

qu'alors inespérées.

- 15 -

IV- QUELQUES CARACTERISTIQUES SPECIFIQUES DE L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

A - Généralités

Sans entrer dans l'étude du phénomène d'électrolyse, du calcul des potentiels

d'électrodes par la théorie de Nernst, et des surtensions dues aux modifications appor­

tées à l'électrolyte et à l'interface électrode-électrolyte par le passage même du cou­

rant (étude qui sort du cadre de cette note technique) nous avons seulement résumé ou

illustré, dans ce qui suit, ce qui nous paraît être l'essentiel, à savoir ou à se rappe­

ler pour une meilleure compréhension des paragraphes suivants.

Dans ce but

La figure 4 illustre la répartition du potentiel électrique entre électrodes.

La figure 5 [6] illustre l'influence de la densité du courant sur la réparti­

tion du potentiel électrique.

Le paragraphe suivant résume l'essentiel de l'aspect quantitatif.

- Capacité d'usinage - rendement

Le poids de métal enlevé est donné par la loi de Faraday.

Pour un métal pur cette loi s'écrit

m gramme 1 A 96 500 ' -z- ' I ' t

avec A = masse atomique

z = valence

ê A équivalent électrochimique = z-= I = intensité en ampère

t = temps en seconde

Pour un alliage contenant x1 % de l'élément 1

x2 % de l'élément 2

Xn % de l'élément n

z x1 . z1 x2 z2 Ex= (

A1 + --- +

A2

La loi de Faraday s'écrit :

m g

= _;;..I _.;.......;t'--"="

96 500 E *

x z ~)

A n

( 1 )

(2)

- 16 -

Cette loi montre que pour un matériau donné, la quantité de métal enlevée par

unité de temps est directement proportionnelle à l'intensité.

Un calcul très simple permet de déduire des formules (1) et (2) ci-dessus la

vitesse d'avance de l'outil :

où

s I s p

p 1, Pz •• ·Pn

1 xL I a 96 500 x--p s

1 I z::.l a 96 500 x-- x __Q_ s

E ~ A

surface de la cathode

densité moyenne de courant

poids spécifique du métal de la pièce

poids spécifiques des constituants de l'alliage

1 p

+ •••• +

(3) pour un métal pur

(4) pour un alliage

Dans la pratique, il faut tenir compte des phénomènes parasites qui pe~turbent

l'opération et modifient les résultats donnés en appliquant brutalement les formules

3 ou 4. Les rendements oscillent entre 75 et 90 %.

La figure n°6 [6] donne (à titre d'exemple pour un essai bien défini) la vi­

tesse de pénétration de l'outil en fonction de la densité de courant. Cette illustration

nous permet de mieux saisir l'influence des phénomènes parasites.

Avec les alliages, le calcul de E f offre quelquefois des difficultés qui pro­

viennent du fait que la plupart des métaux ont plusieurs valences.

Nous avons reproduit avec la figure n°7 [8] les valeurs maximales que nous

pouvons espérer atteindre avec un acier inoxydable suivant les valences adoptées pour le

fer et le chrome.

Le tableau n°1 donne les valeurs maximales théoriques de quelques métaux usu-

els.

B ·Influence de l'usinage électrolytique sur les propriétés mécaniques des métaux [ 10] [9] [7]

Dans bien des cas ce procédé d'usinage a été utilisé, surtout en aéronautique,

pour la fabrication de pièces ayant des applications très sévères, voire critiques, et

pour lesquelles il était très important que l'influence du nouveau mode d'usinage, si

influence il y a, soit connue avec précision.

- 17 -

1°. Fragilisation par l'hydrogène

D'après les nombreuses expérimentations qui ont été faites avec les électro­

lytes les plus couramment utilisés (ClNa, ClK, N03

Na ••• ) il a été trouvé que les pièces

métalliques usinées n'étaient pas fragilisées par l'hydrogène dégagé à la cathode et

ceci malgré le très faible espace inter-électrodes.

L'explication suivante nous paraît plausible

- pour que l'hydrogène ait une action sur le métal, il faut qu'il se présente

sous forme monoatomique (hydrogène naissant). Lors de la réaction électro­

chimique à la cathode, il se forme bien de l'hydrogène monoatomique, mais la

vitesse de combinaison de deux atomes H en une molécule H2 est très élevée.

De plus les molécules d'hydrogène formées sont évacuées immédiatement par le

courant d'électrolyte frais, qui arrive en permanence dans l'espace inter­

électrodes, avant qu'elles n'atteingent l'anode.

A notre connaissance aucune recherche ne semble avoir été entreprise sur l'in­

fluence des électrolytes en solutions acides sur la fragilisation par l'hydrogène.

2°. Influence sur la résistance à la traction

Relativement peu d'informations valables ont été publiées sur le sujet.

Les travaux effectués par North American Aviation sur l'acier H 11 (C% 0,4 -

Mn% 0,3 -Cr 5%- Mn% 1,3) ont montré qu'il n'y avait pas de différence sensible, due

au mode d'usinage classique ou électrolytique, dans la résistance à la traction.

Limite Rupture Réduction Procédé élastique de section

h.bar h.bar %

- Usinage classique 165 201 36,2

- Usinage électrolytique 172 204 32,2

1 h.bar = 1,02 kg/mm2

Une conclusion sembla le a été obtenue avec l'acier SAE 4140 (C% 0,4 -

Mn% 0,9- Si% 0,30- Cr 1%- Mo% 0,20).

Limite 1 Rupture Allongement Réduction Procédé élastique de section

h. bar %

- Usinage classique 121 127,5 10 % 36,3

- Usinage électrolytique 120,2 126 8,3 36,7

- 18 -

Par contre, il a été constaté par plusieurs expérimentateurs qu'une passe de

finition électrolytique avait un effet bénéfique sur les matériaux réputés fragiles en

usinage classique : tungstène, béryllium [9] [7].

Un usinage électrolytique de o/10 mm sur une barre de tungstène a pour effet

d'accroître la résistance à la rupture dans le rapport : ~~~ = 1,44, l'allongement dans 2,36 %

le rapport : 1 , 55 % = 1,52

et l'angle de pliage en essai de flexion de 17 à 153°·

L'amélioration est attribuée à la production d'une surface exempte de micro­

craquelures.

3°. Influence sur la résistance à la fatigue

Il est communément admis que dans bien des cas (aciers alliés de construction

courante), la résistance à la fatigue est plus faible (10 à 25 %) avec les éprouvettes

usinées électrolytiquement. Cela est dû au fait que l'usinage électrolytique donne une

surface de pièces exempte de contraintes résiduelles de compression (écrouissage), et

que la limite d'endurance qui est mesurée est une contrainte de fatigue vraie, alors

que l'usinage mécanique donne une surface comprimée qui accroît, en apparence, la con­

trainte de fatigue du matériau au-dessus de sa valeur vraie.

Dans l'établissement des courbes d'endurance, les résultats des essais de

fatigue obtenus avec des éprouvettes usinées et polies électrolytiquement présentent

très peu de dispersion par rapport à celles usinées par les procédés mécaniques. Ceci

nous paraît être une indication d'une bonne uniformité et d'une bonne reproductibilité

des états de surface.

La figure n°8 [10] [7] donne à titre indicatif pour le Nimonic 80A :

- l'ordre de grandeur des contraintes de fatigue obtenues avec ou sans

traitement de surface;

-l'influence de ces traitements sur la limite d'endurance.

Inversement, il semble que l'usinage électrolytique puisse être utilisé pour

comparer la valeur relative de divers traitements de surface, et leur efficacité à res­

taurer ou produire des contraintes de compression à la surface des pièces.

Pour les matériaux fragiles comme le béryllium, l'usinage électrolytique amé­

liore par contre la limite d'endurance. L'amélioration semble être, là encore, la con­

séquence de l'obtention d'une surface exempte de microcraquelures.

NOTA: La majorité des publications sur les effets de l'usinage électrolytique sur

les propriétés mécaniques des métaux concernent seulement la résistance à la fatigue.

Les sujets suivants, aussi importants qu'ils soient ne paraissent pas avoir été étu­

diés :

- 19 -

- influence sur la limite élastique, la résistance à la corrosion, les fati­

gues thermiques etc •••

- influence des électrolytes acides sur la fragilisation par l'hydrogène.

Nous pensons que ces sujets, qui ne manquent pas d'intérêt pour l'industrie

nucléaire, sont de la compétence d'une Unité de Métallurgie.

C - Influence des paramètres sur la qualité de l'usinage

1°. Etat de surface

L'état de surface obtenu par usinage électrolytique peut être excellent

(rugosité CLA de l'ordre de 0,1 à 0,2) ou très médiocre suivant :

le matériau à usiner,

- l'électrolyte employé pour un matériau donné,

-le soin apporté à la conception de l'électrode outil,

- les paramètres d'usinage (densité de courant, débit, conductivité de l'élec­

trolyte ••• ).

En théorie :

toute hétérogénéité dans la composition de la pièce, en particulier si les consti­

tuants ont des potentiels d'électrode différents, doit conduire à des enlèvements

préférentiels et à un mauvais état de surface;

- toute hétérogénéité de structure doit conduire à un résultat identique. En effet,

les zones sous tension ont tendance à avoir des potentiels d'électrode moins posi­

tifs que les zones non tendues, et de ce fait sont enlevées plus rapidement;

- la présence d'une inclusion qui a un potentiel d'électrode plus positif que le

reste du matériau environnant conduit à la formation d'une protubérance à la sur­

face de la pièce. Mais à cause du gradient de tension qui règne dans l'électrolyte

il y aura une plus grande différence de potentiel entre l'inclusion et la solution

qu'entre le reste de la surface et la solution. Si cette différence de potentiel

s'accroît jusqu'à une valeur égale au potentiel d'électrode du matériau de l'inclu­

sion, cette dernière commencera à se dissoudre.

b) Influence de la densité de courant ----------------------------------Il est clair que plus la densité de courant sera grande plus le gradient de potentiel

sera grand dans l'électrolyte et par conséquent moins vraisemblable sera la formation

d'une protubérance de grandeur appréciable à la surface de la pièce.

- 20 -

Plusieurs auteurs [6] [5] pensent que c'est probablement pour cette raison que le

meilleur état de surface est obtenu en usinage électrolytique en même temps que les

forts taux d'enlèvement de métal. La figure n°9 [11] confirme ce point de vue.

NOTA: En électroérosion l'état de surface est d'autant plus grossier que la vitesse

d'usinage est plus grande.

Bien que certains sels (ClNa, N03

Na, ClK ••• ) conviennent à l'usinage d'un grand

nombre de métaux, il est souvent très utile de déterminer, pour chaque métal, la

composition optimale de l'électrolyte. La figure 9A montre à titre d'exemple qu'une

addition de 10 g/litre de N03

Na à une solution contenant 60 g/litre de ClNa améliore

de 25 à 30% l'état de surface d'une pièce en alliage de titane Ti, Al, 4 V [12].

L'examen approfondi des réactions électrochimiques se développant aux électrodes in­

diquera les avantages et les inconvénients de chaque espèce d'ion. Par exemple, on

évitera d'introduire des ions fortement oxydants si l'on craint la formation d'une

couche d'oxyde passivante à l'anode.

Le mode d'écoulement de l'électrolyte dans l'espace interélectrodes intervient égale­

ment sur l'état de surface obtenu.

Pour que l'enlèvement de métal soit uniforme, il faut que la surface active de l'ou­

til soit abondamment balayée par l'électrolyte. Si en un certain point il y a un dé­

faut d'électrolyte, la zone en regard de la pièce ne sera pas attaquée, l'outil cent~

nuant d'avancer, un arc électrique par court-circuit s'établira entraînant des dété­

riorations locales. De plus, l'outil sera conçu pour permettre un écoulement lami­

naire dans l'espace interélectrodes. On conçoit aisément que des outils insuffisa~­

ment étudiés (orifice de sortie trop proche de la surface de travail ou une trop

grande variation de pression ou droit de cet orifice etc ••• ) puissent engendrer des

défauts (stries, traînées ••• )à la surface de la pièce (cavitation).

Il a été constaté que toute variation de conductivité de l'électrolyte dans la zone

de travail, variation consécutive elle-même à une variation de température ou à la

présence de bulles d'hydrogène, affecte en général plus la géométrie de la pièce que

l'état de surface.

2°. Précision

Dans l'état actuel du développement de cette technique la précision est rela­

tivement médiocre par rapport à celle obtenue en usinage mécanique. Elle est également

- 21 -

moins bonne que celle obtenue en électroérosion; il est vrai que cette dernière tech­

nique est nettement plus ancienne.

Des précisions légèrement supérieures à 0,1 mm, voire dans des cas très parti­

culiers voisines de ~ 0,05 mm, sont atteintes mais non sans difficultés.

Dans ces conditions, il nous a paru intéressant d'essayer de faire l'inventaire

des paramètres qui ont une influence directe sur la précision ne serait-ce que pour

mieux comprendre les difficultés qui président à la réalisation de l'outil.

On conçoit facilement que plus la distance entre les électrodes sera faible, plus le

contour de la pièce usinée pourra être net, plus la reproduction de l'image de l'ou­

til sera fidèle, et ~eilleure sera la précision obtenue. Avec un faible espace inter­

électrodes, les lignes de courant restent rectilignes et perpendiculaires aux sur­

faces des électrodes, et ne s'épanouissent pas dans l'électrolyte. Cependant, il

n'est pas possible de trop amincir cet espace sans augmenter dangereusement les ris­

ques d'étincelles.

Dans la pratique cette distance est en général de 0,1 mm, on ne travaille que très

rarement à une valeur de 0,05 mm.

Au stade de la conception de l'outil, l'espace interélectrodes est déterminé par la

formule suivante :

y (v - b.v)

F k a

Formule déduite de la combinaison de la formule 3 envisagée précédemment au para­

graphe IV A et de la formule :

I = V - t; V = (V - t; V) • k • S R y

déduite de l'application de la loi d'Ohm à l'espace interélectrodes.

Pour un alliage la formule s'écrit

dans laquelle

(v

L: .l y= (V- t:.V) x...!_ x ___e_

F a L: f F = ete de Faraday 96 500 coulombs = 26,8 A.h

a

k

~

p

- Av)

=

=

vitesse d'avance de l'outil

coefficient de conductivité de l'électrolyte

I ~ = valence gramme du métal de la pièce

poids spécifique du métal de la pièce

la tension réellement appliquée

D'après cette formule nous voyons que l'espaée interélectrodes dépend

- 22 -

Ce coefficient dépend lui-même de la concentration et de la température de l'élec­

trolyte.

Dans la pratique, la température de l'électrolyte est régulée à + 2°C et, pour

certains travaux plus précis, à ~ 1°C.

c) - de la vitesse d'avance "a" de l'outil

Pour être logique ce ne sont pas les facteurs k et a qu'il faut considérer séparé­

ment mais le facteur ~. a

Dans la pratique "a" est maintenu à une valeur sensiblement constante, fonction de

la conductivité de l'électrolyte.

En amont des électrodes, cette tension est maintenue constante dans une étroite

fourchette avec une stabilisation de l'alimentation.

Il convient toutefois de remarquer que le terme ~v est la somme des tensions d'é­

lectrodes et des surtensions qui sont associées aux réactions chimiques ou droit

des électrodes. Par hypothèse on suppose que ce terme est petit devant V. En réa­

lité, nous pensons qu'il est difficile de tenir compte du mécanisme d'enlèvement

des couches d'hydroxydes formées à la surface de la pièce car l'on ne sait prati­

quement rien sur ce mécanisme.

e) - du coefficient F

Pour un métal donné ce coefficient est constant.

Ce coefficient caractérise le matériau de la pièce à usiner. Pour un matériau homo­

gène, ce coefficient est constant et l'espace interélectrodes demeure constant;

mais pour une pièce formée d'un empilage de matériaux différents comme cela se

présente avec le trépannage d'éprouvett.es BUGEY, l'espace interélectrodes varie

p~oportionnellement. Les éprouvettes BUGEY présentent effectivement des différences

de diamètres.

Le calcul de _L p donne :

- avec le magnésium = 6,96 (dimension L3 )

- avec l'uranium 3,07 (valence 4)

2,08 (valence 6)

Compte tenu du fait que pour une éprouvette cylindrique le jeu diamétral est pro­portionnel à la racine carrée du jeu frontal (donné par la formule ci-dessus),

- 23 -

nous voyons que pour une vitesse d'avance donnée, le jeu diamétral est~= 1,41 à

~ = 1,73 fois plus grand dans le magnésium que dans l'uranium.

Comme d'autre part la surface de séparation de l'uranium et du magnésium n'est pas

située dans un plan, il est impossible de corriger les différences de diamètres

des éprouvettes en jouant sur la vitesse d'avance par exemple.

Bien que ces paramètres n'apparaissent pas explicitement dans la formule du calcul de

l'espace interélectrodes donnée ci-dessus, il est intéressant de considérer leur in­

fluence. Nous avons mentionné au§ B 1 qu'il y avait production de chaleur dans l'é­

lectrolyte par effet Joule, et que cette chaleur (inévitable) était évacuée par une

circulation forcée d'électrolyte à travers un échangeur. Si des précautions sont

prises pour éviter une surchauffe suivie d'une ébullition de l'électrolyte, il y a

cependant intérêt à travailler avec un électrolyte chaud, non seulement la conduc­

tance dans l'électrolyte augmente avec la température, mais également les vitesses

des réactions chimiques aux électrodes, ce qui permet une double augmentation de la

vitesse d'avance de l'outil. Parallèlement, la différence de potentiel aux bornes des

électrodes diminue comme le montre la figure n°10 [6].

Une augmentation de la température de fonctionnement a également pour effet d'augmen­

ter la solubilité des produits de réaction, et de diminuer la viscosité de l'électro­

lyte. Il en résulte une diminution de la perte de charge requise pour maintenir un

débit donné dans l'espace interélectrodes.

Un accroissement de la pression a pour effet d'augmenter le taux de dissolution de

l'hydrogène dans l'électrolyte, et de réduire par compression le volume des bulles

d'hydrogène entraînées. Donc cet accroissement permet à la fois d'augmenter la den­

sité de courant permise, et de diminuer l'espace interélectrodes.

La surface usinée étant la réplique de la zone active de la cathode, on retrouve in­

tégralement sur la pièce tous les défauts existants sur l'outil, et toutes les er­

reurs de tolérance.

Nous entrevoyions ici un problème très important que l'utilisateur a à résoudre si

pour des pièces complexes, des précisions d'usinage inférieures à ~ 0,05 mm sont

exigées : celui de la conception et de la fabrication de l'électrode outil d'après

la pièce à usiner. Dans beaucoup de ces cas, des essais suivis de corrections de la

forme de l'outil seront nécessaires avant son utilisation en production.

Cette impossibilité de déterminer à l'avance combien de temps prendra exactement la

mise au point de l'outil est un handicap sérieux à l'organisation de la production

pour les sociétés qui ne possèdent pas, à côté de l'atelier, un laboratoire de mise

au point animé par un personnel ayant des connaissances techniques et scientifiques

supérieures à ce que l'on imagine en général. Cet impératif est peut-être à l'origine

- 24 -

du faible développement de ce procédé d'usinage dans les petites et moyennes indus­

tries mécaniques.

NOTA: Il n'est pas dans notre intention de développer, dans ce rapport technique,

le processus et les formules de calcul des paramètres de l'usinage électrolytique. Ce­

pendant, il nous paraît intéressant de communiquer avec les abaques des figures n°13,

14, 15, 16 (établies d'après les travaux de G.L. BALDWIN, D.C. BROWN, J.L. GULATI des

Laboratoires de Technologie de RUBY COLLEGE de LONDRES)[8] une méthode graphique qui

présente l'avantage de donner rapidement l'ordre de grandeur des principaux paramètres.

Il est bien évident que ces abaques, qui ont été établis pour l'usinage de

l'acier inoxydable avec un électrolyte à 20% de ClNa, pe peuvent être utilisés sans

correction avec un autre métal ou un autre électrolyte.

- 25 -

V· POSSIBILITES ET APPLICATIONS DE L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

Deux dates marquent le développement de ce procédé :

1930 Wladimir GUSSEF de Léningrad dépose un brevet sur le principe d'usinage

électrolytique [5].

1959 -Lynn A. WILLIAMS de "ANOCUT Engineering Company" dépose aux U.S.A. un

brevet sur la conception des appareillages et des méthodes d'usinage

[14].

Depuis 1960, le procédé a été l'objet d'une extraordinaire évolution aux U.S.~

Suivant des modalités différentes, il est appliqué à toutes les méthodes d'usinage con-

nues :

- Meulage - rectification - rodage

- Trépanage - carottage - perçage

- Brochage - fraisage - chambrage

- Tournage (pelage des couches perturbées)

- Forage - formation de cavités borgnes ou non de forme géométrique complexe

(matrices, moules)

- Découpage

- Surfaçage - rabottage

- Ebavurage.

En U.R.S.S., en ANGLETERRE, l'usinage électrolytique est devenu un procédé de

travail classique dans les industries aéronautiques. Au début de 1966 on comptait en

Angleterre dans cette industrie une puissance opérationnelle supérieure à 200 000 Am­

pères. D'après certaines informations provenant des milieux de l'aéronautique anglaise

cette puissance double sensiblement chaque année [5].

Aux U.S.A., le nombre de machines installées a doublé dans les années 67 et

68 et l'augmentation de capacité des installations mesurées en ampères est encore plus

grande. Un recensement récent fait état d'un parc de plus de 2 000 machines installées.

L'U.S.Air.Force prévoit que le pourcentage de machines sera de 8,1 % en 1970

pour atteindre 12 à 18% en 1975.

En FRANCE, un petit nombre d'industriels seulement s'intéresse au procédé

parmi lesquels (SNECMA, HISPANO-SUIZA, RENAULT, PEUGEOT ••• ) soit pour alléger des stru~

tures d'avions ou réaliser des ailettes de turbine, soit encore pour former des matrices

de forge. Comparativement au développement de ce procédé aux U.S.A. la France avec un

parc d'une quinzaine de machines est considérablement en retard.

- 26 -

A - Domaine d'application

Compte tenu de l'expérience américaine, on peut affirmer que d'une façon géné­

rale l'usinage électrolytique ne constitue pas un procédé éliminant l'usinage par coupe,

mais qu'il est devenu comme le montre les prévisions de l'U.S.Air.Force et la figure

n°10A empruntée aux travaux de R.C. MOVICH de LOCKEED-CALIFORNIA C0 [12], le complément

de celui-ci. Cette figure est établie en fonction de quelques matériaux classés par

ordre de dureté croissante, donc par ordre de difficulté croissante pour l'usinage par

coupe, et en fonction d'un classement de forme; elle esquisse les domaines de rentabi­

lité des deux modes d'usinage.

B - Exemples type d'application dans l'industrie

Il serait difficile de vouloir brosser un tableau exhaustif des possibilités

offertes par ce moyen d'usinage de crainte d'être limitif dans l'énumération de celles­

ci. Les exemples qui suivent témoignent toutefois de l'impulsion donnée à l'usinage

électrolytique par quelques industries de pointe, et par quelques secteurs de l'indus­

trie nucléaire au cours de ces huit dernières années.

1°. - Fabrication d'ailettes et de rotors de turbines

A l'étranger, les fabricants de turbine à gaz utilisent avec profit les possi­

bilités de ce procédé, en usinage automatique, dans des domaines restés difficiles ou

inabordables par des procédés classiques : ailettes de turbine à gaz en alliages à haut

pourcentage de chrome, de cobalt et de nickel : Nimonic, Udimet, Wespaloy ••• Les per­

formances des turbo-réacteurs sont en grande partie tributaires du niveau de tempéra­

ture admissible pour les gaz chauds à l'entrée de la turbine. Pour accroitre celui-ci,

il a fallu admettre un refroidissement interne des ailettes par circulation d'air froid

prélevé au compresseur à travers des canaux très fins (~ 0,25 à ~ 1 mm - Longueur 250 mm

pour~ 1 mm) percés longitudinalement (voir figure n°11).

Le perçage de ces canaux est réalisé actuellement par usinage électrolytique

chez PRATT et WHITNEY et ROLLS ROYCE. Cette dernière société, qui a contribué au déve­

loppement de ce procédé en ANGLETERRE, serait en mesure de percer des trous de ~ 0,9 mm

sur une longueur : 600 mm.

Pour les turbines à vapeur de faible diamètre (diamètre rotor 250 et 275 mm;

vitesse rotor = 16 000 t/mn, puissance développée : 22 KW (30 Cv) - pression vapeur

140 bars - température 538°C) utilisées dans l'entraînement des groupes compresseurs de

l'industrie chimique, SIEMENS en ALLEMAGNE a mis au point par ce procédé, à partir d'un

seul bloc de métal forgé, l'usinage dans la masse de l'ensemble rotor constitué dans ce

cas de 3 roues à ailettes et de l'arbre de transmission [22].

- 27 -

Cette méthode d'usinage permet de simplifier la conception et d'alléger les

rotors- suppression des usinages délicats en forme de Tou de sapin des pieds d'ailet­

tes et des disques supports- de compacter l'ensemble et de faire travailler le rotor

dans de meilleurs conditions.

D'après une publication récente, ce procédé serait appliqué chez SIEMENS à la

réalisation des rotors des turbines de 660 MW (vapeur saturée) [21].

2°. - Prélèvement d'éprouvettes d'essais mécaniques

Le carottage électrolytique est de plus en plus utilisé pour prélever des

éprouvettes d'essais mécaniques sur des matériaux difficiles à travailler, comme les

alliages réfractaires au cobalt ou les aciers à ressort. Le fini de surface est excel­

lent, et on évite les transformations superficielles dues aux échauffements du procédé

d'électroérosion. De plus on évite d'apporter par électrolyse des tensions superficiel­

les supplémentaires qui pourraient fausser les résultats (études de fatigue, comparaison

de caractéristiques mécaniques).

Dans l'application courante du contrôle des coulées, les aciéristes en sont à

normaliser les processus opératoires d'usinage des éprouvettes pour avoir des valeurs

qui permettent une comparaison relative à un niveau de contrainte déterminé (en princi­

pe ?). L'usinage électrolytique doit permettre de simplifier ces processus.

3°. -Usinage de matrices de forge

Dans le passé, la contribution de l'électroérosion pour la fabrication des

matrices de forge a été considérable.

Dans le présent, l'usinage électrolytique à côté de ce premier mode d'usinage,

tend en le remplaçant de plus en plus, à prendre la première place. Les principales rai­

sons ont déjà été énumérées dans ce rapport :

- possibilité de travailler plus rapidement : on peut atteindre des vitesses

de plongée de 5 mm/mn alors qu'en électroérosion on est limité à 1 mm/mn;

- absence d'usure de l'outil et possibilité de reproduire successivement des

usinages rigoureusement identiques;

-les qualités d'usinage sont d'autant meilleures qu'on travaille plus vite.

4°. - Usinage d'un empilage de tôles minces

L'absence de tout contact mécanique entre l'outil et la pièce permet, sans

précaution spéciale, l'usinage d'encoches dans un empilage de tôles minces.

Il est de même possible d'usiner, sans déformation, des encoches sur les flanœ

d'une couronne réalisée par l'enroulement en spirale d'un feuillard.

- 28 -

Nous pensons que ces possibilités d'usinage devraient intéresser les construc­

teurs de l'industrie électrique qui se penchent sur la fabrication du moteur linéaire.

Dans ce moteur, le stator est formé de deux blocs parallélipidédiques de

grande longueur disposés de part et d'autre du rotor. Chaque bloc est formé d'un empi­

lage de tôles comportant sur la face en regard du rotor les encoches recevant le bobi-

nage.

Dans l'affûtage des outils, un avantage important réside dans l'absence

d'échauffements localisés et de microfissures comme cela se produit très souvent dans

l'affûtage classique. On sait que ces microfissures sont fréquemment responsables de

fractures accidentelles d'outils qui se produisent bien avant le temps normal d'usure

et de remplacement, ce qui occasionne des perturbations dans la fabrication.

Les caractéristiques métallurgiques particulières de ce métal

-réaction violente avec l'atmosphère au-dessus de 538°C,

- absorption et diffusion rapide à chaud de contaminants qui affectent profon­

dément ses propriétés,

grande limite élastique mais faible module de Young,

posent fréquemment des problèmes d'usinage qui ne se rencontrent pas avec le travail des

métaux ferreux.

En particulier, les déformations dues aux réactions élastiques après formage

nécessitent des tolérances qui sont quelquefois 4 à 6 fois supérieures à celles des mé­

taux ferreux. Dans ces conditions, on conçoit aisément que la réalisation de pièces de

précision en titane soit subordonnée à un processus de façonnage très élaboré et très

onéreux- rectification en matrices chaudes par exemple -.

Aux U.S.A. notamment, l'usinage électrolytique du titane a été l'objet de

nombreuses recherches, car ce métal bien connu pour sa résistance à la corrosion, est

généralement passif sous une attaque électrochimique. Un grand nombre d'électrolytes

tendent à former sur le titane une pellicule insoluble et isolante bloquant le passage

du courant.

L'électrolyte mis au point par The BATTELLE DEVELOPMENT CORPORATION, et dont

nous donnons ci-après la composition à titre de curiosité, s'est avéré adéquat pour

l'usinage du titane [20].

FH (de poids sp. 1,2) 50 à 75 millilitres/litre

N03

H (de p.s. 1,42) 75 à 125 " "

ClH (de p.s. 1,19) 125 11 11

- 29 -

L'usinage électrolytique apporte une solution élégante au travail de ce métal,

longtemps réputé difficilement usinable.

7°, - Ebavurage [24]

Dans la majorité des cas les pièces mécaniques, usinées par les procédés clas­

siques, doivent être ébavurées avant assemblage.

L'ébavurage électrolytique permet de supprimer toutes les bavures sans incor­

poration de grains d'émeri ou formation de copeaux retournés.

Ce procédé présente l'avantage d'être économique (simplicité des appareilla­

ges, rapidité d'exécution, fiabilité) et de rendre possible l'ébavurage de régions seu­

lement accessibles par des moyens manuels.

Dans l'industrie automobile ce procédé se généralise pour l'ébavurage des

bielles, des pignons étagés, des trous de graissage des vilebrequins •••

C - Exemples type d'application dans 1 'industrie nucléai re

1°. -Usinage du béryllium

L'expérience acquise au Dt de Métallurgie du C.E.N. de CADARACHE dans l'usi­

nage du béryllium par les méthodes classiques a montré la nécessité d'usiner ce métal à

sec avec des outils en carbure de tungstène : à sec pour éviter l'encrassement de l'ou­

til, le carbure pour éviter les ruptures dans le béryllium qui se produisent inévitable­

ment avec un outil ordinaire ou même en acier rapide. Dans ces conditions il se dégage

des aérosols de glucine, très dangereux pour l'ouvrier, ce qui nécessite de travailler

impérativement en boîtes à gants.

Si le béryllium n'entre plus dans la fabrication des éléments combustibles

comme matériau de gainage, il est par contre très utilisé en télécommunication dans la

réalisation de lignes à retard (dispositif à mémoire à temporisation déterminée).

Nous pensons que les avantages du procédé électrolytique énumérés au para­

graphe IV B seraient susceptibles d'intéresser les industries chargées de la conception

et de l'usinage des pièces en béryllium. Nous croyons savoir que les ajustements sont

réalisés avec des surfaces rectifiées et polies.

Aux U.S.A. des grilles comportant plus de 60 cavités carrées 12,7 x 12,7 avec

des épaisseurs de paroi de 0,43 mm ont été usinées dans des disques de béryllium [13].

2°, -Tronçonnage de monocristaux d'uranium

Nous renvoyons le lecteur au rapport de Mme P. BOUCHET et Mr. R. CHAZOT [4].

- 30 -

3°. - Usinage de grilles et entretoises pour éléments combustibles

La photo n°1 illustre une grille et une entretoise en ATR usinées chacune à

partir de galettes dans un temps voisin de 6 minutes.

Ces travaux ont été effectués à la Société SEPI avec la machine ANOCUT (U.S.A.)

sous contrat de la section SEEC de Saclay.

En 1968, la Société ANOCUT a réalisé pour l'industrie nucléaire américaine une

machine destinée à l'usinage de grilles de section carrée, en acier Inox coulé. D'après

la notice du constructeur, cette machine perce en une seule fois, avec des tolérances

très serrées 49 trous de divers diamètres. Le temps d'usinage n'excède pas 7 minutes.

Ces grilles semblent destinées à la fabrication d'éléments combustibles du type PWR

[ 15 J.

4°. -Usinage d'un nid d'abeilles dans une plaque d'acier [19] [25]

La photo n°2 (cliché SEPI) illustre 7 cavités hexagonales usinées en une seule

fois dans une plaque d'acier et la simplificité de l'outil qui a servi à réaliser cet

usinage.

Sur la face active de chaque électrode, on distingue nettement l'orifice d'ar­

rivée d'électrolyte.

Les possibilités de l'UE doivent pouvoir trouver des applications dans la

construction des éléments de piles rapides.

5°. -Usinage des tubes de force des réacteurs canadiens "CANDU" [16]

Les techniciens de CHALK-RIVER procèdent à un usinage électrolytique de fini­

tion des tubes de force (zircalloy). Cet usinage permet de supprimer des surépaisseurs

indésirables de métal supérieures à 0,01 mm environ.

Le contrôle de l'épaisseur des tubes et la commande de l'usinage sont assurés,

en continu, par un dispositif de balayage ultrasonique Vidigage.

Les canadiens réalisent ainsi une économie de neutrons et une amélioration du

taux de combustion maximal. Ils estiment qu'une réduction de 0 1 025 mm de l'épaisseur

des tubes d'un réacteur de 200 MWe correspond à un gain de 40 000 $ canadiens/an.

6°. - Tronçonnage et lixiviation électrolytiques simultanés des éléments

combustibles irradiés

- Le procédé que nous proposons de décrire, seulement dans ses grandes lignes,

a été mis au point pour l'usine de retraitement de combustibles irradiés d'Eurochemic

(BELGIQUE) dont l'activité est axée principalement sur les éléments combustibles formés

d'un assemblage de crayons d'U02 à faible enrichissement, gainés acier inoxydable ou

- 31 -

zircalloy.

Le principe de base de ce procédé repose sur le fait qu'il est possible de

réaliser simultanément le tronçonnage électrolytique de l'ensemble des crayons et la

séparation par lixiviation du combustible, des matériaux de gainage et de structure.

Tronçonnage

Le tronçonnage proprement dit est réalisé par une électrode-couteau constituée

d'une nappe très fine (épaisseur 1 mm) d'aiguilles creuses juxtaposées au travers

desquelles circule sous pression l'électrolyte (acide nitrique dans ce cas).

Au cours du tronçonnage, l'électrode (placée dans un plan horizontal perpendicu­

laire à l'axe vertical de l'élément combustible) pratique successivement sur chaque

nappe de crayons une fine découpe électrolytique (épaisseur 1,2 mm).

Séparation :

Le principe de la séparation entre les pastilles uo2 d'une part et le gainage d'au­

tre part repose sur le fait que, après un tronçonnage électrolytique préalable du

pied de l'assemblage et dès le début de la découpe des divers crayons, la pression

hydraulique de l'électrolyte est transmise intégralement à l'intérieur des gaines

et conduit à une lixiviation et à une éjection violente du combustible avant que

les crayons considérés ne soient entièrement tronçonnés.

Dans ce procédé l'acide nitrique sous pression est utilisé à la fois comme électro­

lyte pour le tronçonnage de l'assemblage, et comme agent dynamique de lessivage

pour l'entraînement du combustible.

Le principe du tronçonnage et de la séparation est schématisé sur la figure n°12.

Ce procédé est couvert par le brevet n°158 676 du 10/7/68 déposé conjointement en

France par les Sociétés ENI (Electro Navale et Industrielle SA Aatsebar Belgique)

et SEPI St-Denis France. Il a fait l'objet d'une publication à "The International

conference on the constructive uses of Atomic Energy - Washington DC - Novembre

68" [29].

Bien que ce procédé ait été étudié pour les éléments combustibles des réacteurs

américains de puissance (PWR notamment) nous pensons qu'il peut convenir pour les

éléments type EL4 ou Rapsodie.

Outre l'intérêt de l'action simultanée des deux phénomènes exposés plus haut,

le procédé de tronçonnage - lixiviation de combustibles irradiés présente d'après les

inventeurs sur le procédé mécanique de tronçonnage et léchage ("chop leach") les avan­

tages suivants

- tronçonnage sans écrasement des crayons et sans bavure, permettant une éjec­

tion ou un lessivage aisé des matériaux;

- absence de formation de poudres pyrophoriques (principalement dans le cas de

gainages en zircalloy) contribuant à une augmentation appréciable de la

- 32 -

sécurité;

- possibilité de diminuer considérablement le nombre de tronçonnages à effec­

tuer par assemblage, grâce à l'importance de la pression hydraulique de

l'électrolyte;

- usure des couteaux pratiquement nulle comparée à celle des autres procédés

de tronçonnage;

impossibilité de grippage des couteaux, ces derniers n'étant jamais en con­

tact mécanique avec l'assemblage à tronçonner;

- possibilité de tronçonnage d'un assemblage complet sans nécessité de désas­

semblage ou de démantèlement préalable;

- simplicité de l'appareillage et des mécanismes;

- pertes de matériaux non lessivés réduites au minimum par le choix judicieux

des débits et pressions d'électrolyte et dissolution chimique des adhérences

éventuelles aux parois.

7°. - Usinage en milieu actif

L'exemple qui précède nous amène à penser que, dans le cadre des travaux dé­

licats en cellules chaudes, ou de travaux exceptionnels sur réacteurs de pile de puis­

sance, l'usinage électrolytique pourrait, dans certains cas, apporter une solution élé­

gante.

En particulier le pelage des éléments combustibles irradiés est parfaitement

réalisable.

D • Aspect économique

Aux paragraphes II et III nous avons, au passage, mentionné les principaux

inconvénients qui paraissent s'opposer à un développement généralisé et rapide du pro­

cédé d'usinage électrolytique.

En l'absence de concurrence réelle et de fabrication en série chez les cons­

tructeurs, le premier inconvénient, et certainement le plus important, est le prix élevé

de l'équipement. Sachant qu'une machine de 10 000 A coûte environ 924 000 Frs Hors

T.V.A. en 1969- (elle coûtait 830 000 Frs en 1967 Aux U.S.A. son prix est compara­

ble à une fraiseuse à une tête à commande numérique) -, il nous a paru utile de présen­

ter, dans le cadre de ce rapport, une tentative de justification économique de l'emploi

de ce procédé d'usinage. Dans ce qui suit, nous essaierons de faire une analyse des

principaux facteurs économiques mis en jeu; mais il ne nous sera pas possible d'établir

de lois générales, chaque application devant être considérée comme un cas d'espèce.

Quand on envisage les aspects économiques de l'usinage électrolytique, une

distinction doit être faite entre deux groupes d'applications.

- 33 -

~ Dans le premier, les pièces à usiner peuvent être produites par des méthodes clas­

siques; mais à cause des possibilités de l'usinage électrolytique, des économies de

production peuvent être réalisées. Dans ce cas une comparaison directe peut être

faite et, si l'application est judicieuse, le procédé électrolytique peut faire ap­

paraître de substantiels avantages. Pour illustrer ceci, nous donnons succinctement

ci-après, sous forme de tableaux (N°s 2 et 3), les résultats de l'étude du prix de

revient (communiquée par Mr. M.O. TRAYNARD de la SNECMA aux journées d'étude du

G.A.M.I.) sur l'usinage des aubes de turbine [17].

TABLEAU N°2

COMPARAISON DES TEMPS (POURCENTAGES) NECESSAIRES A LA REALISATION

D'UNE AUBE DE TURBINE DE REACTEUR ENTRE L'USINAGE CLASSIQUE

ET L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

(d'après doc. SNECMA établie en 1967)

Temps unitaire % Gains Opérations concernant par opération

% l'usinage du profil d'aube Usinage par Usinage obtenus fraiseuse à électro-

reproduire lytique par U.E.

Ebauche (intrados, extrados) 14,2 % 11,8% 18 %

Finition (intrados, extrados) 15,6%

Ajustages (Raccordements ... ) 26,4% 26,4 % 0

Ajustage (relevé des épaisseurs, marqua- 10 % 0 % 39,2 % ge des zones à reprendre)

Retouche main profil 10,7 %

Polissage pales 18,5 %

Polissage B.S. 4,6 % 4,6 % 0

Temps unitaire total pour l'usinage du 100 % 42,8 % gain profil total

57,2 %

- Avec une machine de 10 000 A équipée de 2 chargeurs, la capacité de production

mensuelle est d'environ 1 700 aubes par mois. Dans ces conditions, les prix de

revient comparatifs du fraisage et de l'usinage électrolytique sont les suivants

- 34 -

Usinage par Usinage fraiseuse électr.

Main-d'oeuvre et charges 21,20 8,30

Amortissement machine 36,20 15,30

Consommation outillage 6,00 -Electricité 0,70 9,75

Entretien et divers 2,00 4,50

Total 44,90 29,55

soit un gain de 15,35 F par aube

Cette différence de prix paye la machine électrolytique en

830 000 < 32 . moJ.s 15 '75 x 1 700

a) Fabrication

Avec cet exemple, nous voyons que l'usinage électrolytique permet :

- des gains de temps très importants par rapport à l'usinage par fraisage reproduc­

tion (57 ,2 %) ;

de supprimer presque complètement le polissage main qui est obligatoire sur les

ailettes fraisées;

- le rendement énergétique total de l'usinage électrolytique, - rapport des consom­

mations d'électricité = 6:~5 = 13,9 -, est médiocre car il est tributaire de la

grande quantité d'énergie dissipée sous forme de chaleur, et en formation d'hydro­

gène à la cathode;

la rentabilité du procédé est assez moyenne, mais il faut bien noter que les cal­

culs ont été faits par comparaison avec un procédé de fabrication assez élaboré,

utilisant des fraiseuses à reproduire à 8 têtes.

~) Frais d'entretien

L'étude du tableau N°3 fait apparaître un poste, "entretien et divers", plus de deux

fois plus important pour l'usinage électrolytique que pour l'usinage par fraiseuse.

A la réflexion, un certain nombre de raisons nous amènent à penser que cette diffé­

rence n'est pas exagérée et qu'elle doit exister chez beaucoup d'usineurs. En effet

- dans la majorité des cas, les machines réalisées à ce jour sont soit des prototy­

pes, soit des semi-prototypes du fait même de la grande diversité et de la grande

complexité des opérations d'usinage qui leur sont demandées;

- en l'absence d'une expérience accumulée sur plusieurs dizaines d'années, d'une spé­

cialisation poussée des machines, d'une maîtrise complète des phénomènes électre-

- 35 -

chimiques, du grand nombre de paramètres à contrôler, il est évident que la concep­

tion des circuits de contrôle et d'asservissement est plus complexe que celle d'une

machine d'usinage classique (machines à commande numérique non comprises);

- la nature corrosive des électrolytes utilisés actuellement impose une plus grande

usure des composants en contact direct avec le fluide.

NOTA: Les vapeurs salines, produites dans l'enceinte de travail de la machine, sont

évacuées par le circuit de reprise de l'hydrogène formé à la cathode et ne semblent pas

constituer un danger pour le matériel environnant.

Amortissement :

Toutes ces raisons font que la machine électrolytique se déprécie relativement

plus rapidement qu'une machine classique et qu'il parait normal d'effectuer son amortis­

sement sur une période de 5 ans maximum.

Cependant, si nous reprenons l'exemple de la fabrication en très grande série

des aubes de turbine à gaz, le tableau N°3 fait appraitre un poste amortissement par

pièce plus de deux fois plus important pour l'usinage classique que pour le procédé

électrolytique. Cela tient à la fois à la très grande capacité d'usinage de ce dernier

procédé qui permet, comme le montre le tableau N°2, un gain de temps de 57,2% et au

prix d'achat très élevé des fraiseuses conçues spécialement pour ce travail.

Remarque :

Il convient de signaler également que les machines électrolytiques présentent,

sur ces fraiseuses spéciales, l'avantage de pouvoir, éventuellement, être adaptées à

d'autres travaux.

~- Dans le second groupe, certains usinages impossibles à effectuer par les méthodes

classiques deviennent réalisables avec l'usinage électrolytique. L'exemple le plus

typique nous parait être le perçage en très grande série de canaux de faibles dia­

mètres et de grande longueur dans les ailettes de turbine à gaz (voir§ A 1). De

tels canaux sont impossibles à réaliser par perçage mécanique avec les récents al­

liages forgés réfractaires à forte teneur en nickel, cobalt, à cause de leur du­

reté et de ce fait une comparaison directe ne peut être établie.

Et cependant, des gains très importants sur les performances, la consommation de

kérosène, le rayon d'action des avions sont tributaires du refroidissement interne

des ailettes des réacteurs. Ces gains sont substantiels pour l'exploitant, mais ne

peuvent pas toujours être estimés avec précision au niveau de la fabrication.

Dans le cadre des travaux effectués au sein du département de métallurgie, nous

pensons que de nombreux travaux peuvent entrer dans ce second groupe par exemple

• perçages profonds dans l'uranium pour la mise en place de thermocouples

~ 1,1 mm;

- ~ -

tronçonnage et prélèvement d'échantillons d'éléments combustibles irradiés

pour micrographies et essais mécaniques - (gain sur le temps de polissage)

A partir d'un investissement de base ces différentes opérations permettent

de rentabiliser l'achat d'une machine.

- 37 -

VI - PRELEVEMENT D'EPROUVETTES DANS LES ELEMENTS COMBUSTIBLES BUGEY

A - Données du problème

L'étude confiée à la Société SEPI [18] comportait

1°. -la recherche d'un électrolyte satisfaisant aux conditions suivantes

• permettre l'usinage simultanée du magnésium, de l'aluminium et de

l'uranium,

n'être pas trop corrosif pour la machine d'usinage et le matériel en­

vironnant en vue d'une exploitation éventuelle en cellule chaude sur

élément irradié,

être le moins cher possible.

2° - la détermination des paramètres optimums de travail

• intensité,

tension,

vitesse d'avance,

plage de régulation de la température de l'électrolyte;

- en vue d'obtenir dans les meilleures conditions de rapidité

un bon état de surface des carottes,

une parfaite reproductibilité dimensionnelle des éprouvettes (même

aire d'accrochage entre l'uranium et le magnésium).

3°. -la mise au point d'un outil de découpe permettant l'usinage de carot­

tages borgnes et de carottages complets. Cet outil devait de plus être

facilement démontable et remontable à distance par télémanipulateur.

4°. -le prélèvement dans un élément Bugey témoin de 10 carottes et l'usinage

de 10 carottages borgnes.

5°. -la remise d'un rapport sur la possibilité et les meilleures conditions

d'utilisation du procédé dans le cas considéré.

Nous reproduisons ci-après l'étude électrochimique et théorique du problème

faite par Messieurs J.M. DE MUNOA et P. CHAUSSONNET, de la Société SEPI, car elle illus­

tre très bien le processus de calcul que l'usineur a effectué lorsqu'il veut explorer

l'ensemble des phénomènes électrochimiques mis en jeu dans une opération d'usinage -

il est évident toutefois, qu'une étude aussi précise des phénomènes qui régissent ce

procédé d'usinage n'est pas une nécessité absolue pour résoudre en pratique de nombreux

problèmes.

- 38 -

B - Etude électrochimique du problème

Choix de l'électrolyte

La dissolution anodique du magnésium et de l'uranium ne présente pas de diffi­

culté particulière. Un premier essai effectué avec un électrolyte à base de chlorure de

sodium a permis d'utiliser des vitesses d'avance d'usinage élevées.

Mais le magnésium, très électropositif, se corrode en présence des ions oxy­

dants, et en particulier des chlorures. Il est donc nécessaire d'utiliser des ions ré­

ducteurs, tels que les nitrites, qui permettent l'usinage simultané du magnésium et de

l'uranium.

D'autre part, nous voyons sur le diagramme de la figure n°17 [26] que le do­

maine de stabilité du magnésium est entièrement situé au-dessous du domaine de stabilité

de l'eau. Le magnésium présente pour tout pH une très forte affinité de réaction avec

l'eau, qu'il réduit avec dégagement d'hydrogène, en se dissovant sous forme d'ions Mg2

+.

On peut cependant freiner la réaction, en se plaçant à des pH d'environ 10,

car le métal se recouvre d'une couche d'oxyde ou d'hydroxyde protectrice.

Mg+ 2 H2o- Mg(OH) 2 + H2 •

Réactions anodiques

Les réactions anodiques ayant lieu en cours d'usinage sont la dissolution di­

recte du métal lui-même.

Dans le cas du magnésium, une seule réaction est possible

Mg Mi+ + 2e

Eo = -2,363 + 0,0295 Log (Mg++)

Etant donné la valeur très élevée, en valeur absolue, de la tension de cette

réaction, celle-ci est facile à obtenir. On constate d'ailleurs une très bonne dissolu­

tion anodique du magnésium, lors de l'usinage électrolytique, même en imposant une fai­

ble tension, de l'ordre de 6 volts, entre la cathode et l'anode.

Les ions Mg2+ vont se combiner au cours d'une réaction secondaire avec les

ions oxhydriles OH- du bain pour donner l'hydroxyde Mg (OH) 2 •

Mi + 2 OH- - Mg (OH)

Lors de l'usinage de l'uranium, plusieurs réactions d'oxydation anodique sont

possibles, suivant les électrolytes utilisés, et les paramètres d'usinage choisis. Avec

un électrolyte composé de chlorures, on peut obtenir un dégagement gazeux de chlore,

qui, dès sa formation, attaque l'uranium métal. Avec un bain à base de nitrites, on n'ob­

serve pas de dégagement gazeux à l'anode, mais une oxydation directe de l'uranium.

- 39 -

Les oxydes uo2 , u2

o3

, u3

o8

n'étant pas stables, en présence de l'eau, nous

ne considèrerons que les réactions donnant pour résultat soit l'oxyde uraneux uo2 , soit

l'oxyde uranique uo3

, dans leurs différentes variétés (U02

, U(OH) 4 , uo3

H2o , uo3

-

2 H2o , uo3

) - voir diagramme figure n°18 [26] -

1) U + 2 H2

0 -- + 4 H+ + 4 e-

Eo = -1,444- 0,06 pH

2) U + 4 H2 0 -U(OH)4 + 4 H+ + 4 e-

Eo = -1,353 - 0,06 pH

3) uo2 + H2 o -- uo3

+ 2 H+ + 2 e-

Eo = 0,657 - 0,06 pH

4) uo2 + 3 H2o -- uo3

. 2 H2

o + 2 H+ + 2 e-

Eo 0,387 - 0,06 pH

Thermodynamiquement, c'est la réaction (1) qui doit avoir lieu, puisque c'est.

elle qui possède la tension la moins élevée. En réalité ces tensions ne sont valables

que pour des équilibres, c'est-à-dire à courant nul.

En usinage électrolytique, nous sommes loin de ces conditions théoriques,

puisque nous utilisons des densités de courant de l'ordre de 50 ou 100 A/cm2, ce qui

fait apparaître des surtensions très élevées.

Au cours des essais, nous avons observé successivement la formation de uo2 noir, U(OH) 4 vert et de uo

3.2 H2o jaune-vert, quand nous avons fait varier la vitesse

d'avance et la tension d'usinage. La présence de U(OH) 4 et de uo3

.2 H20 dans le bain

n'était d'ailleurs que passagère, car d'une part U(OH) 4 n'est pas stable en milieu

aqueux, et d'autre part, uo3

.2 H20 était réduit par les ions nitrite de l'électrolyte.

Le résultat final de l'opération était donc toujours un précipité noir d'oxyde uraneux

L'usinage de l'uranium nous a imposé une limite inférieure de la tension ap­

pliquée. En effet, l'usinage était très défectueux pour des valeurs de la tension infé­

rieure à 10 volts, et des arcs électriques se créaient entre la cathode et l'anode,

menant une détérioration de l'outil.

D'autres réactions secondaires ont peut-être lieu à l'anode, et en particulier

l'oxydation des nitrites en nitrates, bien que le potentiel de cette réaction soit plus

élevé que celui des dissolutions de l'uranium No2 + H2o- N03 + 2 H+ + 2 e-

Eo = 0,835 - 0,06 pH (No;)

+ 0,03 Log----­(N02)

Ces réactions secondaires diminuent un peu le rendement faraday de l'usinage.

Réactions cathodiques

Plusieurs réactions sont aussi possibles à la cathode. Nous pouvons avoir une

réduc.tion soit des ions nitrites, en NO, N2

o , N2

ou NH3

, soit des ions H en hydrogène

gazeux suivant les réactions.

- 40 -

5) 2 H+ + 2 e- - H2 Eo = 0 - 0,06 pH

6) No2- + 2 H+ + e- - NO + H

20 ( )

NOZ

7) 2 NOZ

' 8) 2 NOZ

Eo = 1,202 - 0,12 pH+ 0,06 Log (pNO)

+ 6 H+ + 4 e--- N2

0 + 3 H2

0 (N02)

Eo = 1,396- 0,09 pH+ 0,06 Log (pN2

o)

H+ + 6 + 8 e - - N2 + 4 H20 (N02)2

Eo = 1,520 - 0,08 pH + 0,01 Log pN2

(N02) Eo = 0,897 - 0,08 pH + 0,01 Log~

4

Les réactions 8, 7 et 6 sont les premières obtenues étant donné leurs poten­

tiels. Mais la réduction des nitrites peut être plus poussée, si on utilise une densité

de courant élevée, ce qui est le cas de l'usinage électrolytique.

Avec un électrolyte contenant des nitrites, on n'a pratiquement pas de dégage­

ment d'hydrogène à la cathode, mais une formation d'ammoniaque suivant la réaction (10).

Bilan global

Cas du magnésium

Pour pouvoir réaliser un bilan global des réactions anodiques et cathodiques,

nous allons raisonner en considérant le passage d'une quantité de courant de 6 Faradays

entre la cathode et l'anode.

l: Mg- 3 Mi++ 6 e

Anode H2o~6 H+ + 6 OH-

(II)

M 2+ 6 or-- 3 Mg(OH) 2 g +

7 Cathode

Le nitrite de sodium est ionisé sous la forme

NaN02 ~ Na+ + NOZ

- 41 -

+- 6+ 6- + + (12) Na + N02 + H + e - NH4 + Na + 2 OH-

Additionnons membre à membre les réactions (11) et (12). Bien que le ré­

sultat n'ait aucune signification physique et chimique sur les phénomènes ayant lieu

pendant l'usinage, on voit très clairement la quantité des produits formés ou consommés

lors du passage du courant.

(13) 3 Mg+ 6 H20 + Na+ + N02- 3 Mg(OH)2 7

En particulier, nous remarquons que nous consommons du nitrite de sodium, et

que nous obtenons de la soude et de l'ammoniaque, ce qui entraîne une augmentation du pH

du bain d'électrolyte en cours d'usinage, si nous ne procédons pas à des corrections

par addition de nitrite et d'acide, c'est-à-dire d'acide nitreux si possible.

Cas de l'uranium

3 u- 3 u4+ + 12 e

Anode 12 + 12 (II)

H20;=12 H + oH-

3 é+ + 12 or -3 U(OH) 4

(14) 3 U + 12 H20- 3 U(OH) 4 + 12 H+ + 12 e­

..,.-

Cathode

Même réaction que dans le cas de l'usinage du magnésium.

( 15) 2 Na+ + 3 N02 12 H+ + 12 e - 2 NH~ + 2 Na+ + 4 or

Globalement :

Faisons un calcul rapide et approximatif pour connaître la quantité d'ions OH

formée lors de l'usinage d'une carotte d'un échantillon BUGEY, et la variation du pH du

bain d'électrolyte utilisé.

Diamètre extérieur de la couronne usinée

Diamètre intérieur moyen de la couronne usinée

29 mm

11 mm

Volume du magnésium dissous dans le tenon

2,5 x 0,4, x (2,9 - 11) x 2 = 3,6 cm3

Nous supposerons que le volume occupé par le magnésium dans la zone des ai­

lettes est égal au tiers du volume total.

Hauteur d'usinage dans les ailettes

Hauteur d'usinage dans le magnésium plein

15 mm

5 mm

- 42 -

Volume total de magnésium usiné par carotte :

-E- (0,5 + 1,35 ) + 3,6

(6,6 - 0,95) + 3,6 9,25 cm3

Poids de magnésium usiné

mMg 9,25 x 1,75 = 16,18 g

mMg # 16,2 g

Volume d'uranium usiné

v = 4,8 cm3 u

Poids d'uranium usiné par carotte

4,8 x 19,1

238 x 3 = 714 g d'uranium fournissent 4 moles d'ions

oxhydriles OH

24,3 x 3 73 g de magnésium usiné produisent 2 moles

d'ions OH

La quantité d'ions OH-formés lors de l'usinage d'une carotte est

4 x 7 ;t + 2 x 1 ~ 3 2. = 0, 515 + 0, 445 0,96 moles # 1 mole.

Influence sur le pH

En supposant que nous travaillons avec un bain d'un volume total de 250 1,

la concentration en ions OH augmente de 4.10-3 moles/litre après l'usinage de chaque

carotte.

Si au départ nous avons une solution neutre (en toute rigueur, il faudrait

tenir compte du fait que la solution de nitrite de sodium est très légèrement acide :

pH#= 6,5), l'évolution du pH sera suivant le tableau ci-contre.

Carottes usinées (OH-) pH

0 10-7 7

4.10-3 11 '6

2 8.10-3 11,9

3 1,2 .10 -2 12,08

10 4.10-2 12,6

100 4.10-1 13,6

- 43 -

Nous voyons donc que le pH atteint dès la première carotte, une valeur assez

élevée du pH, mais se stabilise ensuite aux environs de 12.

L'usinage peut très bien s'effectuer pour ces valeurs de pH, et cela permet

même d'éviter une corrosion du magnésium, puisqu'il n'existe pas de magnésiates stables.

Cependant, ce n'est pas le cas pour la couche d'aluminium existante entre l'u­

ranium et le magnésium. La dissolution de l'aluminium sous forme d'aluminate commence

aux alentours de pH = 9, et peut devenir assez importante vers pH = 13. Il est donc pru­

dent de procéder à des corrections du pH environ toutes les 10 carottes, par une addi­

tion d'acide.

Autres variations du bain

Nous avons pu voir, dans les réactions (1~ et (16) qu'au cours de l'usinage,

nous consommions du nitrite de sodium et de l'eau. Mais la modification de la concen­

tration du bain est minime, car elle joue sur des quantités au départ très importantes

(250 1 d'eau et de 25 kg de nitrite).

En effet, on consomme deux fois moins de moles de nitrite de sodium qu'on ne

forme d'ions OH. La variation de concentration après chaque carotte est donc de

2.10-3 moles/litre. C'est absolument négligeable devant les 1,45 moles/1, que nous avons

au départ (100 g/1).

Si nous faisons le même calcul pour la perte en eau, nous arrivons aussi à la

même conclusion.

Il faut cependant faire des additions d'eau périodiques, pour compenser les

pertes dues à l'évaporation qui, elle, n'est pas négligeable, car à la sortie de l'usi­

nage, l'électrolyte est très divisé en gouttelettes à cause de la pression et sa tempé­

rature s'élève à environ 55°C.

C • Détermination théorique des jeux cathode - anode

Cas du magnésium

avec

La distance frontale cathode-anode est donnée par la formule

( 1 ) eF = XK ( U-E)

I K = 96 500

A z 1

d

v

A masse atomique du métal en grammes

Z valence électrochimique du métal dans la réaction considérée

d = densité du métal en g/cm3

X conductivité de l'électrolyte

v vitesse d'avance d'usinage

U tension totale appliquée aux électrodes

- 44 -

U-E chute ohmique de tension entre les électrodes

E potentiel des réactions d'électrodes et surtensions E Ea - Ee + '!)

La réaction électrochimique considérée à l'anode est :

Mg + + H2 0 - MgO + 2 H + 2 e-

Ea = 1,862 o,o6 pH

Si nous considérons qu'à l'anode nous avons formation d'ammoniaque

(NOZ) Ea = 0,806 - 0,07 pH + 0,01 Log (NH OH)

4

Supposons que nous travaillons à pH = 10 : on peut d'autre part négliger les

termes en logarithme, sans effectuer une erreur trop importante :

Ee = 0,806 - 0,7

Ea -2,36 - 0,6

Il est difficile de déterminer la surtension '!) de cette réaction. Elle peut prendre des

valeurs assez élevées, puisque les densités de courant utilisées en usinage électroly­

tique sont très élevées. Nous allons cependant la négliger pour ce premier calcul.

Amg 24,3 g

z 2

1, 75 g/cm3

x -1 0,15 Mho.cm

U = 10 volts

E = -2,36 - o,8o6

La distance frontale dans le cas du magnésium est

eF = 0,42 mm

La distance latérale cathode

-3,17

(2)

x = 0,5 mm (Voir croquis fig.21 a)

'\} 2 • 0 ' 5 . 0 ' 42

0,65 mm

Cas de l'uranium

La réaction anodique est :

U + 3 H2

0 - U03

+ 6 H+ + 6 e

Eo = 0,368 - 0,06 pH

Les valeurs des différents termes de la formule (1) sont :

Au

z 238 g

6

d = 19,1 g/cm3

'X = 0,15 Mho

U = 10 volts

E 0,368 - o,6 - o,8o6 + 0,7 = 0,338

Nous en déduisons le jeu frontal

et la distance latérale :

- 45 -

eF = 0,175 mm

eu 0,42 mm

Ces valeurs eu et eMg ne se retrouvent pas dans la pratique de l'usinage, car nous avons

négligé certains facteurs, et fait des approximations. Ils nous montrent cependant que,

même dans les conditions idéales, le jeu cathode-anode est très différent pour l'uranium

et le magnésium, si nous conservons les mêmes conditions d'usinage.

En réalité, cette différence est d'ailleurs plus importante. En effet, la

surtension ~ est très supérieure à ~Mg' et la différence entre U - EMg et U - Eu aug­

mente encore plus.

D'autre part, la valeur x de la formule (2) est supérieure à la hauteur du

liseré comme nous l'avons considérée plus haut, car l'électrolyte baignant complètement

l'espace compris entre la carotte et la partie même isolée de l'outil, les lignes de

courant continuent au-delà de la distance x considérée, (voir croquis fig. 21 C) et la

nouvelle distance sera d'autant plus élevée que le terme U-E sera important, ce qui est

le cas pour l'usinage du magnésium.

Une cause d'erreur provient de l'évaluation de la température. La densité de

courant, lors de l'usinage de l'uranium, est presque le double de celle rencontrée dans

le magnésium. Il en résulte un échauffement plus important de l'électrolyte et une aug­

mentation de la conductivité.

Les trois corrections que nous venons d'examiner d'une façon qualitative sont

difficiles à évaluer quantitativement, mais les deux premières l'emportent sur la troi­

sième si bien que :

1 1

eM - eU g

' ' , ... en appelant eMg et eU les jeux reels entre l'outil et la piece.

D- Essais effectués en vue de diminuer e'Mg · e'u

La zone des échantillons de carottage ayant le plus d'intérêt en vue de leur

utilisation ultérieure est justement la jonction magnésium-uranium; nous avons donc

tenté d'obtenir des échantillons les plus cylindriques possibles.

D'après la formule (1), nous voyons qu'il faut augmenter la tension U et di­

minuer la vitesse d'usinage v, en arrivant sur l'uranium. (Voir croquis fig. 21 C).

Mais malheureusement, cette solution n'est pas valable, car le phénomène d'u­

sinage n'est pas localisé à la face frontale de la cathode. Même en donnant à x une va­

leur très faible (x= 0,5 mm), l'influence de la variation des paramètres se retrouve à

2 ou 3 millimètres en arrière, et se traduit par une gorge assez prononcée.

Pour améliorer le profil de la carotte on peut aussi faire une deuxième passe

avec une cathode ayant des dimensions différentes de celles de l'électrode d'ébauche.

- 46 -

Mais cette méthode entraîne des complications, car il faut changer deux fois d'outil à

chaque carottage, le second outil ne pouvant pas servir à déboucher.

L'utilisation de cette méthode diminue le décrochement mais ne le supprime

pas, car nous retrouvons le même problème mais atténué.

E. Principaux problèmes rencontrés au cours de l'étude

Piqûres du magnésium. - Voir photo N°12

Nous avons déjà vu que le magnésium étant un métal très réducteur, nous avons

dû choisir un électrolyte à base de nitrite de sodium, pour éviter toute corrosion chi­

mique. Mais vu le principe du procédé de l'usinage électrolytique, il n'est pas possible

de supprimer la corrosion électrochimique.

L'usinage frontal du magnésium donne un excellent état de surface. Mais l'at­

taque électrochimique du magnésium étant très facile, nous avons des courants dérivés

cathode-anode jusqu'à des distances très importantes, si nous formons une chambre d'éle~

trolyte sous pression, baignant la partie de la carotte déjà usinée. Ces courants déri­

vés dont la densité est très inférieure à la densité de courant que nous trouvons dans

l'entrefer, produisent une attaque irrégulière et uniquement dans des zones préféren­

tielles de l'anode, ce qui provoque les piqûres sur les carottes.

Pour éviter ces piqûres, nous avons modifié l'outil, de manière à ce que l'é­

lectrolyte ne soit plus sous pression, en dehors de l'entrefer. Dans ce nouvel outil,

l'électrolyte n'arrive plus par le centre, mais par une couronne, et s'échappe vers

l'intérieur et l'extérieur. De plus, nous avons évidé le plus possible l'outil pour fa­

ciliter le départ de l'électrolyte se trouvant en contact avec la carotte. Voir photo

N°3 et figures 19 à 20 d.

Ces modifications de l'outil et l'utilisation d'une faible tension d'usinage,

nous ont permis de diminuer notablement ces piqûres sans toutefois les supprimer complè­

tement.

Corrosion par formation de pile

Le magnésium est un métal très électropositif, susceptible de former une pile

avec la plupart des autres métaux, à condition de les relier avec un électrolyte.

2+ Mg - Mg + 2 e-

Eo = -2,363 + 0,03 Log (Mg2+)

u + 3 H2o - uo

3 + 6 H+ + 6-e-

Eo = 0,387 - 0,06 pH

L'uranium est le pôle positif de cette pile et le magnésium le pôle négatif,

et il en résulte une dissolution du magnésium, avec un dégagement d'hydrogène.

- 47 -

Nous avons pu remarquer très nettement ce phénomène dans la zone de séparation

de l'uranium et du magnésium, ce dernier étant rongé sur une largeur de 2 à 3 mm (voir

photo N°9). La profondeur de l'attaque dépend essentiellement de la durée de la corro­

sion. Pour éviter ce phénomène, il a suffi que nous rincions la gaine avec de l'eau

après l'usinage, pour éliminer les traces d'électrolyte, et de bien sécher ensuite, car

le magnésium n'est pas stable, en présence d'eau pure.

Le même problème s'est présenté pour mettre en place les contacts électriques

sur la gaine; en prenant des causses en cuivre, nous corrodions les centreurs de la

gaine, et il a fallu prévoir des pinces en magnésium, que nous avons intercalées entre

le centreur et les causses. (Voir croquis figure 21 d). La corrosion s'effectue à la

surface de séparation de la pince et des causses, protégeant ainsi la gaine de toute

corrosion. Il faut cependant décaper la pince à l'acide toutes les 2 carottes, pour que

le contact électrique.soit convenable.

Hétérogénéité de l'uranium

Au cours de l'usinage des carottes, nous avons remarqué à plusieurs reprises

des arrêts par surintensité, quand nous nous trouvions au coeur de l'uranium. D'ailleur~

sur toutes les carottes débouchantes, nous remarquons une zone médiane de l'uranium

ayant un aspect très différent. Les conditions d'usinage restant exactement les mêmes

tout au long de l'usinage de l'uranium, nous en avons déduit que le métal ne doit pas

être homogène, du moins dans l'échantillon que nous avons usiné. Cette hétérogénéité se

traduit par un usinage assez défectueux dû à des passivations locales.

Usinage des ailettes de magnésium

L'usinage électrolytique de surfaces accidentées entraîne très souvent des

problèmes à cause de la mauvaise distribution de l'électrolyte. C'est ce que nous avons

retrouvé lors de l'usinage des ailettes en magnésium. Si l'arrivée de l'électrolyte ne

vient pas au sommet d'une ailette, le liquide ne passe pas entre l'ailette et la cathod~

et il se produit une étincelle quand l'outil vient au contact de l'ailette.

Par des modifications de l'outil, nous avons réussi à diminuer ces arcs en

nombre et importance, et ceux qui subsistent ne détériorent presque pas la cathode, à

condition de la fabriquer avec un matériau assez résistant, tel que l'acier inoxydable.

F · Résultats

Conditions d'usinage

Machine utilisée

Les travaux de carottage ont été effectués avec une machine de laboratoire de

500 A (fabrication SEPI). La photo N°11 montre :

- 48 -

A gauche : le pupitre de commande et de contrôle. Parmi les nombreux instru­

ments de contrôle prévus figure un indicateur numérique d'avance de l'outil.

Le pupitre comporte à la partie inférieure le générateur.

A droite : l'ensemble mécanique de travail comprend : à la partie supérieure

l'enceinte étanche de travail; à la partie inférieure la cinématique d'avance

du plateau support de pièce (outil fixe) ainsi que des accessoires de contrôle

du circuit d'électrolyte.

-Les appareils de filtration et de clarification de l'électrolyte ne sont pas

représentés sur cette photo.

La photo N°9 montre un tronçon d'élément BUGEY disposé à l'intérieur de l'en­

ceinte de travail.

Paramètres d'usinage :

Electrolyte

Solution aqueuse de nitrite de sodium NaN02

à 100 g/litre

- pH initial 8

- température = 43°C (régulée à ~ 2°)

[ -1

-conductivité k 43°C = 0,19 0 cm]

- pression :

8 bars (usinage du magnésium)

10,5 bars (usinage de l'uranium)

Cette différence de pression s'explique par la variation de l'espace interélectrodes.

Courant d'alimentation

tension globale = 12,5 volts

intensité variable entre 80 et 230 ampères (voir figure 22)

Vitesse d'avance de l'outil :

3 mm/mn dans le centreur puis 1,5 mm/mn pour le reste de l'éprouvette. Dans

ces conditions la durée d'usinage d'un carottage débouchant est de 25 minutes.

Aspect métallurgique :

Les micrographies qui ont été effectuées sur les deux premières éprouvettes

usinées (photos N°s 4, 5, 6, 7, 8) avaient essentiellement pour but de s'assurer que

l'usinage électrolytique n'engendrait ni ne favorisait, soit une corrosion intergranu­

laire et intercristalline du magnésium ou de l'uranium, soit une fissuration dans la

phase fragile U Al2 comme cela s'est présenté avec l'usinage par électroérosion (compte

rendu d'examen N°682) [1]:

- 49 -

Photo N°4 : Micrographies sur magnésium G = 1000

La micrographie effectuée dans une zone située près de la surface extérieure

ne présente pas d'indice de corrosion intergranulaire ou intercristalline et

ne présente pas de différence métallographique par rapport à la micrographie

témoin d'une zone voisine du coeur de l'éprouvette,

- ordre de grandeur des aspérités maximales en surface 8 à 10 ~

Photo N°5 : Micrographies sur uranium G = 150

Le même commentaire que ci-dessus est valable pour llusinage de l'uranium,

- ordre de grandeur des aspérités maximales en surface 20 ~

Photo N°6 : G = 150

Micrographie de la liaison uranium - magnésium

La couche de liaison Mg Al-UA12 n'est pas fissurée et semble avoir mieux ré­

sisté que le magnésium aux effets de corrosion par courants parasites.

Photos N°s 7 et 8 : G = 150

Ces micrographies montrent très bien que la liaison magnésium - uranium n'est

pas altérée en profondeur par le procédé d'usinage électrolytique.

Aspect extérieur des éprouvettes :

La photo N°12 et les figures 23 a et 23 b, établies et cotées d'après les

photos prises au projecteur de profil, illustrent l'aspect extérieur et la géométrie

des éprouvettes prélevées dans le plan d'un centreur d'un élément BUGEY.

Comme nous l'avons déjà exposé : les piqûres du magnésium, les défauts géomé­

triques constatés aux jonctions uranium - magnésium et sensiblement à mi-épaisseur de

l'uranium sont actuellement soit inévitables, soit dus à un phénomène que nous ne som­

mes pas encore en mesure d'expliquer.

- Si l'on ne considère que le critère "état de surface" nous pensons que l'u­

sinage d'un matériau bi-métallique tel que le couple uranium - magnésium constitue du

point de vue électrochimique un cas limite du procédé électrolytique, mais nous le rap­

pelons, le problème était d'obtenir sans effort mécanique, pour ne pas fissurer la

couche de liaison, des éprouvettes de gaines interne et externe par un procédé repro­

ductible et facilement applicable en laboratoire chaud. Ce but nous paraît atteint si

l'on en juge par le tableau N°4 des résultats des essais de traction pratiqués sur 12

carottes borgnes prélevées sur un élément combustible de référence.

Cependant, en accord avec la Société SEPI, d'autres prélèvements seront ef­

fectués, ultérieurement, avec l'outil monté sur le support tournant qui doit équiper les

- ~ -

nouvelles machines de laboratoire. Nous pensons avec les spécialistes de SEPI, qu'en

faisant tourner l'électrode-outil il est possible, par une meilleure distribution des

pressions hydrodynamiques, d'améliorer le mode d'écoulement de l'électrolyte et parallè­

lement la géométrie et l'état de surface des éprouvettes.

Si cette méthode de prélèvement est adoptée pour le contrôle de la fabrication

en série des éléments BUGEY nous préconisons de prévoir, sur la ou les machines d'usi­

nage à réaliser, les dispositions suivantes

-la rotation de l'outil,

-la pénétration de l'outil dans le sens bas en haut pour que la pesanteur

contribue à évacuer l'électrolyte usé,

- l'utilisation éventuelle d'un jet d'air pour chasser l'électrolyte usé pou­

vant stagner entre la surface latérale de l'outil et la carotte et empêcher

ainsi une action électrolytique indésirable.

1

Numéro

éprouvette

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Vitesse de Effort de

traction

0,2 mm/mn

0,5 mm/mn

"

"

"

" "

" "

"

"

"

rupture

222 kg

268 kg

235 kg

165 kg

234 kg

365 kg

206 kg

300 kg

294 kg

243 kg

254 kg

230 kg

- 51 -

Aspect couche de liaison

Bon

Très bon (voir photo N°13)

- quelques manques de revêtement

- revêtement irrégulier de la couche de liaison dans la zone centrale (voir photo N°14)

- revêtement irrégulier en fond de gorge

Très bon

Quelques points de revêtement irrégulier en fond de gorge - une zone pelée dans la partie centrale

Très bon

Très bon

Quelques points de revêtement irrégulier en fond de gorge

Très bon (voir photo N°15)

- revêtement irrégulier en fond de gorge (voir photo N°16)

Ces essais ont été effectués sur machine Instron le 28.04.69

- 52 -

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Manuscrit reçu le 5 Décembre 1969

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Fig. 1 - SCHEMAS DE PRINCIPE

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pïè.ee +

Fig. 2 -REPARTITION DE LA DENSITE DE COURANT DANS L'ELECTROLYTE

AVEC UN OuriL DE FORME COMPLEXE

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f

Cowt)\TiotJ.!I F"ltJ4LtS

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Fig. 3 -REPARTITION DE LA DENSITE DE COURANT DANS L'ELECTROLYTE

AVEC UN OUTIL DE FORAGE

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Fig. 4 -REPARTITION DU POTENTIEL ELECTRIQUE DANS L'USINAGE ELECTROLYTIQUE

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Fig. 5 - INFLUENCE DE LA DENSITE DU COURANT SUR LA REPARTITION

DU POTENTIEL ELECTRIQUE

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Fig. 6 - INFLUENCE DE LA DENSITE DE COURANT SUR LE RENDEMENT

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Fig. 7 - USINAGE ELECTROLYTIQUE DE L'ACIER INOXYDABLE TYPE : Zl2 CN12.12

TAUX DE DISSOLUTION ANODIQUE D'AP.RES LA LOI DE FARADAY

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Fig. 8 - EFFETS DE DIVERS TRAITEMENTS DE SURFACE

SUR LA LIMITE D'ENDURANCE DU NIMONIC 80 A

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Fig. 9 - INFLUENCE DE LA DENSITE DE COURANT SUR LA RUGOSITE

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POUR DIFFERENTS ACIERS

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Fig. 9A - ESPACE INTERELECT.RODES LATERAL EN mm

USINAGE ELECTROLYTIQUE DE L'ALLIAGE DE TITANE

Ti, 6 Al, 4 V.

CORRELATION ENTRE L'ETAT DE SURFACE LATERAL

ET L'ESPACE LATERAL INTERELECTRODES EN

FONCTION DE LA COMPOSITION DE L'ELECTROLYTE

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Fig. 10 - VARIATION DE LA DIFFERENCE DE POTENTIEL AUX BORNES

DES ELECTRODES EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE

L'ELECTROLYTE POUR UNE INTENSITE DONNEE CONSTANTE

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Fig. lOA - COMPARAISON DES TAUX D' ENLEVEMENT DE MErAL

ENTRE LE FROCEDE ELECTROLYTIQUE Er LE

FRAISAGE MECANIQUE EN FONCTION DU MATERIAU

Er DE LA COMPLEXITE DES FORMES A OBI'ENIR

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Fig. 11 - PERCAGE PROFOND D'UN CANAL DE REFROIDISSEMENT

D'AILETTE DE TURBINE A GAZ PAR USINAGE ELECTROLYTIQUE

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Fig. 13 - DETERMINATION DE L'ESPACE INTERELECTRODE POUR

ACIER INOX Z 10 CND 18.10.03.

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Fig. 14 - USINAGE ELECTROLYTE DE L'ACIER INOX Z 10 CND 18.10.03

(ELECTROLYTE A 20 % DE Cl Na)

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Fig. 15 - NOMBRE DE REYNOLDS ET VITESSE ELECTROLYTE

(SOLUTION A 20 %Cl Na)

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Fig. 16 - CALCUL DE LA PERTE DE CHARGE AVEC UN

ELECTROLYTE A 20 % DE Cl Na

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-1,6 -1,6

-1,8 -1,8

-2 -z -2,2

Mg+? -2,2

n 3 --2,4 -2.4 --

~ Mg

-2,6 -2,6

-2,8 -2,8

-3 1 -3 -2 -1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

pH Fig. 17

-2 0 2 2

ElV> 1.6

1,2

0,8

0

-0,4

-0,8

-1,2

-1,6

-2

-2,4

-2 0 2

- DIAGRAMME D'EQUILIBRES TENSION pH DU SYSTEME

MAGNESIUM - EAU A 25°C

(FIGURE ETABLIE EN CONSIDERANT L'H~OXYDE Mg(OH) 2 )

4 6 8 10 12 14 16 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 1 2

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1,2 1,2

0,8 0,8

0,4 ùo-:!,21:!20

0,4 ~ - uranates~-

0 0

-0.4

-0,8

·----- .. - -1,2 ---- - -1,6

-2 UH3

u -2,4 -2,4

4 6 8 10 12 14 pH -z 0 2 4 6 8 10 12 14 pH a) b)

Fig. 18 - DIAGRAMME D'EQUILIBRES TENSION pH

DU SYm'EME URANIUM - EAU

Fig. 19 -VUE EN COUPE DE L'ELECTRODE OUTIL

Artivi..a ;. l~~oat'rDiyl"a

•

Fig. 20A - FIN DE LA PHASE D'USINAGE DU CENTREUR

1

'

1

Fig. 20B Fig. 20C

FIN DE LA PHASE D'USINAGE DE LA GAINE AILETTEE FIN DE LA PHASE D'USINAGE DE L'URANIUM

Fig. 20D - FIN DE L'OPERATION D'USINAGE

TABLEAU 1 - VOLUME THEORIQUE DE MErAL ENLEVE PAR

UN COURANT DE 1000A PAR MINUTE

Masse Poids om3 /minute/ Métal !Atomique Valence !spécifique Volume

A z g/om3 1000 A

- ALUMINIUM 26,98 3 2,67 2,06

- ARGENT 107,88 1 10,5 6,40

- BERYLLIUM 9,01 2 1 ,85 1 , 50

- CADMIUM 11 2, 41 2 8,65 4,03

- CHROME 52,01 2 7,19 2,25

3 1 , 51 6 0,75

- COBALT 58,94 2 8,85 2,05

3 1 ,38

- CUIVRE 63,54 1 8,96 4,39 2 2,20

- FER 55,85 2 7,86 2,21

3 1 ,4 7

- MAGNESIUM 24,32 2 1, 74 4,34

- MANGANESE 54,93 2 7,43 2,28

4 1 , 1 5

6 0,77

7 0,66

- MOLYBDENE 95,95 3 10,22 1 , 95

4 1 ,47

6 0,98

- NICKEL 58969 2 8,90 2.11 3 1 • 36

- NIOBIUM 92,91 3 8,57 2,16

4 1 , 69

5 1 , 34

- TITANE 41,90 3 4, 51 2,19 4 1 • 65

- TUNGSTENE 183,92 6 19,30 0,98 8 0,74

- URANIUM 238,07 4 1 9,1 0 1 , 92 6 1 , 29

- VANADIUM 50,95 3 6,1 1, 74

5 1 • 05

- ZIRCONIUM 91 , 22 4 6,49 2,18

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d b

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.r=. C. t• u- :variable

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- Fig. 21 -

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Fig. 22 - VARIATION DE L'INTENSITE AU COURS DE L'USINAGE

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Fig. 23A - PHOTO FRISE AU PROJECTEUR DE P.ROFIL G = 10

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Fig. 23B - PHOTO FRISE AU FROJECTEUR DE FROFIL G = 10

- PHOTO n° 1 -

- PHOTO n" 2 -

- PHOTO n ° 3 - ELECTaODE - OuriL -

M u:.Roc.Rt.PHit. t.Ht.C'TUf..t. h cof.uR.

t1tcRO C.RhPHIE. E.F fE.C:"tUll UJ .!.URf~CE..

PHOTO n ° 4 - MICROGRAPHIES SUR MAGNESIUM

GROSSI SSEMENT 1000

M lûROGRf.IPHit E.HECTUtt. h c Ot.UR-

t11 C RO ûRA PHIL E.HtC'TUll Ul ~ .S.URf~Ct. • •

PHOTO no 5 - MICROGRAPHIES SUR URANIUM

GROSSISSEMENT 150

PHCYl'O no 6 - MICROGRAPHIE DE LA LIAISON URANIUM - MAGNESIUM

GROSSISSEMENT 60

PHOTO n • 7 - MICROGRAPHIE DE LA LIAISON MAGNESIUM - COUCHE DE DIFFUSION

GROSSISSEMENT 150

,

PHOTO n° 8 - MICROGRAFHIE DE LA LIAISON URANIUM - MAGNESIUM

GROSSISSEMENT 150

PHOTO n ° 9 - CORROSION PAR FORMATION DE PILE

AUX JONCTIONS U-Mg

PHOTO n ° 10 - MISE EN PLACE DE L'ELEMENT BUGEY

DANS L ' ENCEINTE DE TRAVAIL

PHOTO n ° 11 - MACHINE DE LABORATOIRE DE 500 AMPERES

PHCYI'O n° 12 - EFROUVEITES FRELEVEES DANS LE PLAN D'UN CENIREUR

D'UN ELEMENT COMBUSTIBLE BUGEY

PHai'O no 13 - ASPECT DE LA COUCHE DE LIAISON AffiES L'ESSAI DE RUPI't.RE

PHOTO n" 14 - ASPECT DE LA COUCHE DE LIAISON AffiES L ' ESSAI DE RUPI't.RE

PHOTO n° 15 - ASPECT DE LA COUCHE DE LIAI SON AmES L' ESSI\I DE RUPTURE

PH<Yl'O no 16 - ASPECT DE LA COUCHE DE LIAISON AffiES L'ESSAI DE RUPTURE

Imprimé

par le Bureau de Documentation

C.E.N. CADARACHE