Usinage par Pulse ElectroChemical Machining (PECM) de superalliages base nickel employés pour des pièces aéronautiques fortement sollicitées thermomécaniquement : compréhension des phénomènes physicochimiques et optimisation du procédé - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2019

Pulse ElectroChemical Machining (PECM) of nickel based superalloys used for aeronautical parts with high thermomechanical demands : understanding of physicochemical phenomena and optimization of the process

Usinage par Pulse ElectroChemical Machining (PECM) de superalliages base nickel employés pour des pièces aéronautiques fortement sollicitées thermomécaniquement : compréhension des phénomènes physicochimiques et optimisation du procédé

Abstract

Pulse Electro Chemical Machining PECM is an unconventional machining process (with no cutting tools) of complex shapes requiring high precision. This technology is based on the anodic oxidation of the metal and is distinguished by pulsed current synchronized to an oscillation of the cathode with a rectilinear translational movement. The electrolyte is continuously renewed allowing the evacuation of sludge of the dissolved metal. The PECM involves low inter-electrode gap (from 0.01 to 0.2 mm) which ensures high dimensional accuracy. The aim of the thesis is to understand the physico-chemical phenomena related to the anodic dissolution of nickel-based superalloys (René 65 and Inconel 718) in the usual electrolyte NaNO3. Because of the complexity of the microstructure of the studied superalloys, the different phases were synthesized and studied separately. It appears that the insoluble dissolution products formed during anodization are mainly composed of Ni and Nb oxides (for Inconel 718) and Ti and W oxides (for René 65), but also γ '' (Ni3Nb), γ '(Ni3Ti) phases as well as carbides of W, of Nb of Cr. Consequently, the dissolved elements in solution are mainly made of the major elements of the austenitic matrix. In order to ensure a homogeneous dissolution of the different phases, alternative media have been developed, in particular by adding chelating agents. An experimental device for simulating PECM conditions in the laboratory allowed to establish the dissolution efficiency of the alloy as a function of different current densities in usual and alternative environments. Finally, the use of these alternative media was tested on the PECM machine. An experimental design methodology was used for the René 65 to compare the efficiency of the alternative electrolyte with the usual one with optimized operating parameters. These pilot scale tests have been extended to Inconel 718 alloy. It appears that the use of specific electrolyte makes it possible both to reduce the production of metal hydroxide sludge and to limit the formation of anodic surface layers.
L’usinage électrochimique impulsionnel (Pulse Electro Chemical Machining PECM) est un procédé d’usinage non conventionnel (sans outils coupants) de pièces métalliques à géométrie complexe et nécessitant des précisions élevées. Cette technique repose sur l’oxydation anodique du métal et se distingue par l’imposition d’un fort courant impulsionnel. Le courant est synchronisé à un mouvement de translation rectiligne et oscillant de la cathode. L’électrolyte est continuellement renouvelé permettant l’évacuation des résidus du métal usiné. Le PECM permet de travailler avec des distances inter-électrodes très faibles (de 0,01 à 0,2 mm) lui assurant une bonne précision dimensionnelle. L’objectif principal de la thèse est de comprendre les phénomènes physico-chimiques liés à la dissolution anodique de superalliages base nickel (René 65 et Inconel 718) dans l’électrolyte usuel NaNO3. Face à la complexité de la microstructure des matériaux étudiés, les différentes phases constituantes ont été synthétisées et étudiées séparément. Il s’avère que les produits de dissolution insolubles formés lors de l’anodisation sont principalement constitués d’oxydes de Ni et de Nb (pour l’Inconel 718) et d’oxydes de Ni, Ti et de W (pour René 65), mais aussi des précipités γ’’ (Ni3Nb), γ’ (Ni3Ti) ainsi que des carbures de W, de Nb de Cr. Quant aux éléments dissous en solution, ce sont principalement les éléments constituants de la matrice austénitique. Ainsi les différentes analyses mettent en avant que le mécanisme de dissolution des deux superalliages résulte d’une dissolution préférentielle des matrices austénitiques, accompagnée de formation d’oxydes et de déchaussement des précipités. Afin d’assurer une dissolution homogène des différentes phases des matériaux, des milieux alternatifs ont été mis au point notamment par ajouts d’agents complexants. Le développement d’un dispositif expérimental de simulation des conditions du PECM en laboratoire a permis d’établir le rendement de dissolution de l’alliage en fonction de différentes densités de courants en milieux usuel et alternatifs. Enfin, une transposition de l’étude de ces milieux alternatifs a été réalisée sur machine PECM. Une méthodologie de plan d’expérience a été utilisée pour l’alliage René 65 afin de comparer l’efficacité d’un électrolyte alternatif à l’électrolyte usuel NaNO3. Ces essais à l’échelle pilote ont été étendus à l’alliage Inconel 718. Il en ressort que la formulation de bains spécifiques à chaque alliage permet de diminuer à la fois la production de boues d’hydroxydes métalliques et de limiter la formation de couches anodiques à la surface des pièces.
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Dates and versions

tel-02558391 , version 1 (29-04-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02558391 , version 1

Cite

Mariem Msakni Malouche. Usinage par Pulse ElectroChemical Machining (PECM) de superalliages base nickel employés pour des pièces aéronautiques fortement sollicitées thermomécaniquement : compréhension des phénomènes physicochimiques et optimisation du procédé. Chimie. Université de Lorraine, 2019. Français. ⟨NNT : 2019LORR0267⟩. ⟨tel-02558391⟩
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