Effet des paramètres de coupe sur la microstructure des couches subsurfaciques induites par tournage dur de l’Inconel 718

Touazine, Heithem (2018). Effet des paramètres de coupe sur la microstructure des couches subsurfaciques induites par tournage dur de l’Inconel 718. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les matériaux à haute résistance mécanique (HRM), particulièrement le superalliage à base de nickel-fer Inconel 718 et l’acier faiblement allié 300M, sont très utilisés dans des applications critiques spécialement en industrie aérospatiale. L’Inconel 718 et l’acier 300M sont utilizes respectivement pour la fabrication des pièces critiques comme les disques de turbine et les trains d’atterrissage d’avions. Ces matériaux ont des caractéristiques mécaniques et physiques plus importantes que celles de la plupart des matériaux conventionnels. Les pièces critiques sont fabriquées en grande partie à l’aide des procédés de fabrication conventionnels comme le tournage dur. Ces pièces critiques sont souvent soumises à des charges cycliques et nécessitent donc d’avoir une résistance très élevée en fatigue. En revanche, l’usinage de ces pièces a un impact sur leur durée de vie en service et sur l’intégrité des surfaces usinées en termes de rugosité, contraintes résiduelles, microstructure et endommagement subsurfacique qui influencent la durée de vie en fatigue à différents niveaux.

La présente thèse a pour objectif principal d’étudier l’effet de l’usinage par tournage dur de l’Inconel 718. Plus précisément, l’impact du tournage dur sur l’évolution de la microstructure et sur l’endommagement subsurfacique. L’objectif secondaire de ce projet est d’étudier l’effet des paramètres de coupe sur la qualité des pièces en acier 300M en utilisant des paramètres de finition tout en augmentant la productivité. L’investigation expérimentale se base sur quatre (4) principales étapes :

Premièrement, une analyse critique de la littérature nous a permis de déterminer les lacunes sur lesquelles s’est développée l’originalité de ce projet. Des recherches antérieures ont montré l’absence d’utilisation de méthodes de caractérisation précises et fiables pour quantifier l’endommagement subsurfacique. De même, la littérature présente un manque d’un modèle empirique fiable et précis afin de prédire l’évolution de l’endommagement microstructural. De plus, l’étude de la littérature a présenté une insuffisance concernant les mécanismes qui sont responsables de la fissuration des carbures et de l’apparition d’une couche adoucie dans le cas de l’Inconel 718.

En ce qui concerne l’acier 300M, la littérature présente peu de données concernant l’impact de l’usinage sur la qualité de surface ainsi sur l’amélioration de la productivité d’usinage de ce matériau pour le régime de finition. Alors, l’étude de la littérature a été concentrée sur des aciers similaires, par exemple les aciers AISI 4340 et AISI 52100.

Deuxièmement, une méthode précise de caractérisation a été développée dans le but de quantifier l’impact de l’usinage sur la microstructure et de distinguer entre les défauts de polissage et d’usinage. Cette méthode consiste à protéger la surface avec une couche mince de nickel pur déposée par électrolyse. Elle permet de quantifier avec précision l’endommagement subsurfacique spécialement l’épaisseur de la couche déformée (DL) et plusieurs types de défauts d’usinage. Parmi les autres avantages de la méthode développée est qu’elle permet d’éviter le détachement des carbures en surface, d’éviter la déformation du bord de l’échantillon et de quantifier adéquatement le pourcentage des carbures fissurées (ACC) en sous couche et dans la limite de la couche affectée qui est de l’ordre de 30 μm. Des techniques de caractérisation avancées ont été utilisées comme la microscopie laser/optique, la microscopie électronique à balayage (MEB), la nanoindentation et la technique de la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD). La caractérisation microstructurale des pièces en Inconel 718 usinées avec différentes conditions montrent l’apparition d’une couche durcie sous l’effet de l’écrouissage superficiel et de déformations plastiques sévères d’épaisseur maximale égale à 15 μm à partir de la surface usinée. De plus, une couche adoucie a été révélée juste après la couche durcie. L’épaisseur de la couche adoucie est comprise entre 10 μm et 25 μm tout dépendamment des conditions d’usinage.

Troisièmement, un plan d’expériences fiable et économique, qui est le Roquemore 311B, a été sélectionné pour planifier les tests d’usinage. Ainsi, DL et ACC ont été quantifiés pour chaque condition de coupe. Les résultats montrent que dans le domaine d’étude de finition sélectionné, DL varie entre 6 μm et 15,5 μm et ACC varie entre 8,3 % et 20,5 %. L’analyse des résultats à l’aide de la technique de l’analyse de variance ANOVA a permis de déterminer l’impact de chaque paramètre sur l’endommagement subsurfacique pour les deux matériaux. Les résultats ont montré que la vitesse de coupe (Vc) et la vitesse d’avance (f) sont les paramètres les plus significatifs. Afin de simplifier les corrélations entres les paramètres de coupe et l’endommagement subsurfacique, Vc et f ont été transformées en paramètre physique comme l’énergie de déformation (E) et le débit d’enlèvement de matière (MRR). Ainsi, il a été démontré que les épaisseurs de la couche déformée et le pourcentage de carbures fissures augmentent avec l’augmentation du taux d'enlèvement de matière et de l’énergie de déformation sous la forme racine carrée. De plus, des valeurs de f élevées et de valeurs de Vc faibles engendrent une DL et un ACC élevés.

Les modèles développés ont été validés en utilisant des conditions d’usinage autres que ceux planifiés dans le plan d’expériences spécialement dans le cas de l’Inconel 718. Les modèles proposés ont prédit DL et ACC pour l’Inconel 718 avec des erreurs maximales égales à 12 % et 28 % pour le centre et les extrémités du domaine d’étude respectivement et dans un intervalle de confiance de 95 %.

Quatrièmement, une étude approfondie a été conduite sur deux phénomènes principaux qui sont l’apparition des carbures fissurés, indépendamment de la distance relative à la surface usinée et l’apparition d’une couche adoucie. Afin d’analyser les mécanismes responsables de la fissuration des carbures (Nb, Ti) C, une étude EBSD a été conduite à l’aide des cartes de distribution de facteurs de Schmid et des cartes de distribution de misorientation locale à l’aide des cartes KAM (Kernel Average Misorientation). Les résultats de l’étude EBSD ont montré que le processus de fissuration est lié à l’orientation des grains et à l’accumulation de dislocations. En effet, l’emplacement préférentiel de l'initiation des fissures dans les carbures est situé à l’interface où les grains adjacents présentent un gradient de facteur de Schmid et de dislocations. Aussi, les résultats de caractérisation par microscopie optique montrent que les carbures commencent à se fissurer à partir d’une taille critique qui a été déterminée égales à 3 μm. Pour ce qui est de l’apparition de la couche adoucie, les résultats montrent que les carbures fissurés sont localisés entre 10 et 25 μm de la surface usinée, ce qui coïncide avec la profondeur de la couche adoucie. Une analyse théorique a permis de corréler l’apparition de cette couche au cisaillement des particules dures dans les sous couches.

Les résultats expérimentaux sur l’acier 300M ont montré que les paramètres d’usinage sélectionnés n’avaient pas d’impact sur l’évolution de la microstructure et sur l’endommagement subsurfacique en termes de dureté, de défauts et couche affectée par usinage. La caractérisation des échantillons usinés confirme que la couche affectée par usinage est d’une épaisseur maximale égale à 1,7 μm pour les conditions les plus sévères. De plus, l’analyse par microscopie électronique n’a pas révélé la présence d’une couche blanche en surface. Ce résultat demeure bénéfique pour notre partenaire industriel Héroux Devtek, car il lui permet d’augmenter sa productivité de 19 % pour la semi finition et entre 50 et 122 % pour la finition sans la dégradation de la qualité de surface.

Dans le cadre de cette thèse, les résultats sur l’évolution de la microstructure lors de l’usinage de 300M, n’ont pas révélé un impact significatif, c’est pour cela, qu’on recommande d’élargir le domaine d’étude pour l’acier 300M dans le but d’étudier profondément l’effet des paramètres de coupe sur l’évolution de la microstructure. Ainsi, on pourra corréler l’effet de l’endommagement microstructural avec la durée de vie en fatigue des pièces usinées.

En ce qui concerne l’Inconel 718, on recommande de corréler le pourcentage des carbures fissurés avec la durée en fatigue des pièces usinées. À noter qu’une investigation a été conduit pour déterminer l’effet des carbures fissurés sur la durée de vie en fatigue des pièces usinée en Inconel 718. En première étape, le modèle proposé a été appliqué avec succès pour trois échantillons soumis à des essais de fatigue dont les conditions d’usinage et la durée de vie en fatigue n’avaient pas été fournies. En deuxième étape, le modèle a été testé pour toutes les conditions planifiées dans le plan d’expériences et pour différents diamètres usinés (0,5 et 2 pouces) en Inconel 718. Les résultats ont montré que quand le pourcentage de carbure fissure augmente la durée de vie en fatigue diminue de manière significative.

Titre traduit

Influence of hard turning on microstructure evolution in the subsurface layers of Inconel 718

Résumé traduit

High strength materials (HSM), particularly nickel base Inconel 718 superalloy and 300M low alloy steel, are widely used in critical applications for aerospace industry. Inconel 718 and 300M steel are used respectively for manufacturing of critical parts such as turbine disks and aircraft landing gear. These materials have superior mechanical properties compared to most of the conventional materials. Critical parts are manufactured largely using conventional manufacturing processes such as hard turning. These critical parts require a high life service. However, the machining of these parts has an impact on surface integrity in terms of roughness, residual stresses, microstructure and damages which lead to reduced service life particularly with regard to the fatigue life.

The main goal of this thesis is to study the effect of hard turning of Inconel 718. More precisely, the impact of hard turning on microstructure evolution and on subsurface damage is studied. The secondary objective of this project is to study the effect of cutting parameters on the surface quality of 300M steel and increasing productivity by using finishing parameters. Experimental investigations are based on four (4) main stages:

1. A critical analysis of the literature allowed us to identify the lack of information on which the originality of this project was developed. Previous researches have shown the absence of accurate characterization methods for subsurface damage quantification. Similarly, the literature presents a lack of reliable and accurate empirical models for predicting the evolution of microstructural damage. In addition, literature presented a deficiency regarding responsible mechanisms for carbides cracking and the appearance of softened layer beneath the machined surface in the case of Inconel 718.

For 300M steel, previous researches presented few data regarding the impact of machining on surface integrity and increasing productivity for finishing regime.. Moreover, the majority of the studies were concentrated on similar steels for example AISI 4340 and AISI 52100.

2. A precise characterization method has been developed in order to quantify the impact of machining on the microstructure and distinguish between the polishing and machining defects. This method consists in protecting the surface with a thin layer of pure nickel deposited by electrolysis. It allowed to precisely quantifying the subsurface damage, especially the thickness of the deformed layer (DL) by machining and many types of machining defects. Among the other advantages of the developed method is to avoid the detachment of carbides on the surface, to avoid the deformation of the edge of the sample and to adequately quantify the percentage of cracked carbides (ACC) on the subsurface layers within the limit of the affected layer which is in the order of 30 microns. Advanced characterization techniques have been used such as laser/optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), In-situ nanoindentation and Electron backscatter diffraction (EBSD) techniques. The microstructural characterization of Inconel 718 machined parts with different conditions showed the appearance of a hardened layer under the effect of work hardening and severe plastic deformations comprised between 10 μm and 15 μm below the machined surface. In addition, the appearance of a softened layer between 15 μm and 25 μm is also there depending on the machining conditions.

3. A reliable and cost-effective experiment plan, Roquemore 311B, has been selected to plan the machining tests. Thus, DL and ACC were quantified for each cutting condition. The results show that in the selected finishing domain, values of DL are comprised between 6 μm and 15.5 μm and values of ACC varied between 8.3% and 20.5%. The analysis of the results using the analysis of variance ANOVA allowed the determination of the impact of each parameter on the subsurface damage. In addition, the results showed that the cutting speed (Vc) and the feed rate (f) are the most significant parameters. In order to simplify the correlations between the cutting parameters and the subsurface damage, Vc and f have been transformed into quantities such as the deformation energy (E) and material removal rate (MRR). Thus, direct and strong correlations were found between the cutting parameters and microstructure damage. The best fit used to model the correlation is a square root function. The results showed that the thicknesses of DL and ACC increase with increasing MRR and E. In addition, high values of f and low values of Vc lead to high DL and ACC.

The accuracy of the developed models was validated using machining conditions other than those planned in the experimental design especially in the case of Inconel 718. The proposed models for predicting DL and ACC for Inconel 718 have maximum errors equal to 12% and 28% for the center and extremity of the domain study respectively at 95% of confidence interval.

4. The study investigated two main phenomena which are the appearance of cracked carbides independently of the relative distance to the machined surface and the appearance of a softened layer just after the hardened layer. In order to further analyze the responsible mechanisms for (Nb, Ti) C carbide cracking, EBSD study was conducted using Schmid factor distribution maps and Kernel Average Misorientation maps (KAM). The results showed that the preferential locations of the crack initiation in carbides were located at the interface of grains that present a gradient of Schmid factors. In addition, it can be observed that the carbides located at the grain boundaries are those which are the most easily cracked than the carbides located in the grains. In the same context, the results of the KAM maps confirmed that the initiation of cracks in (Nb, Ti) C carbides started where there was a concentration of dislocation density at grain/carbide boundaries. Also, optical microscopy characterization results showed that the carbides started to crack from a critical size equal to 3 μm. Regarding the appearance of the softened layer, the results showed that the cracked carbides were located between 10 and 25 microns of the machined surface which coincides with the depth of the softened layer. The appearance of this layer has been associated with the shearing of the hard particles in the sublayers.

Regarding 300M steel, experimental results have shown that the selected machining parameters do not have impact on microstructure evolution and subsurface damage in terms of hardness, defects and affected layer by machining. The characterization of the machined samples confirms that the layer affected by machining has a maximum thickness of 1.7 μm for the most severe conditions. In addition, SEM analysis did not reveal the presence of a white layer on the surface. This result remains beneficial for our industrial partner Héroux Devtek, because it allows it to increase their productivity until 19 % for semi finishing and from 50 until 122 % for finishing without degradation of the surface quality.

Investigations performed in the frame work of this thesis, showed that microstructure evolution during the machining of 300M, did not reveal a significant impact. For this reason, it is recommended to increase the range of machining parameters for 300M steel in order to deeply study the effect of cutting parameters on the evolution of the microstructure. Thus, we can correlate the effect of microstructural damage on the fatigue life of the machined parts.

Regarding the Inconel 718, it is recommended to correlate the percentage of cracked carbides with the fatigue life of the machined parts. It should be noted that an investigation was carried out into the effect of cracked carbides on the fatigue life of Inconel 718. The first step was to test the effect cracked carbides on fatigue life. Results showed that the proposed model was successfully applied to a three fatigue samples for which the machining conditions and fatigue life were not provided. In the second step, the model was tested on different machined diameters (0.5 and 2 inches) in Inconel 718 and results showed that when the percentage of cracked carbide increases, the fatigue life decreases significantly.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 139-152).
Mots-clés libres:	Inconel 718, tournage dur, microstructure, couche subsurfacique, carbures fissurés, endommagement, dureté, EBSD, KAM
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Bocher, Philippe
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 juill. 2019 14:21
Dernière modification:	24 juill. 2019 19:32
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2039

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