Chapitre 2 : Comportement de l’Inconel 718 au cours de traitements thermiques
2.1 Théorie de la précipitation appliquée à l’Inconel 718
2.1.1 Phases en présence et températures de précipitation
2.1.2.1 Mécanismes de germination ... 22
2.1.2.2 Mécanismes potentiels de croissance ... 23
2.1.3 Cinétiques de précipitation de la phase δ ... 25
2.1.3.1 Précipitation de la phase δ au cours du refroidissement ... 25
2.1.3.2 Précipitation à partir d’un état homogénéisé ... 26
2.1.3.3 Précipitation à partir d’un état déformé ... 26
2.1.3.4 Fraction d’équilibre et fraction critique ... 28
2.2 Protocole expérimental et caractérisation de l’état de réception ... 29
2.2.1 Matériel utilisé ... 29
2.2.1.1 Traitements thermiques ... 29
2.2.1.2 Préparation des échantillons ... 30
2.2.1.3 Quantification de la phase δ ... 31
2.2.2 Caractérisation de l’état de réception ... 34
2.2.2.1 Composition chimique de la nuance étudiée ... 34
2.2.2.2 Microstructures et phases en présence ... 35
2.2.2.3 Structure et orientations cristallines ... 38
2.3 Relation entre précipitation de phase δ et microstructure ... 39
2.3.1 Précipitation à partir d’un état homogénéisé ... 39
2.3.1.1 Construction d’un diagramme TTT ... 40
2.3.1.2 Mécanismes de croissance ... 42
2.3.1.3 Modélisation des cinétiques de précipitation ... 45
2.3.2 Influence du chemin thermique emprunté ... 48
2.3.2.1 Influence d’une trempe intermédiaire ... 49
2.3.2.2 Précipitation à partir de l’état de réception ... 50
2.3.3 Cas industriel : précipitation à 980 °C ... 54
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Ce chapitre s’intéresse à l’évolution des précipités de l’Inconel 718 au cours de traitements
thermiques. Après avoir rappelé la spécificité des phases présentes dans l’alliage et ayant une
influence sur son comportement mécanique ou sa microstructure, un intérêt particulier sera porté à la
phase δ. Cette phase est de première importance car elle a la dimension caractéristique pour interagir
avec les joints de grains et ainsi influencer les propriétés mécaniques finales de l’alliage. L’étude de la
phase δ sera approfondie à travers la présentation des différents mécanismes en compétition au cours
de sa germination et de sa croissance. La méthodologie utilisée et le protocole expérimental suivi afin
de caractériser le matériau ainsi que la quantification de la phase δ seront ensuite présentés. L’étude
sera consacrée à l’influence des chemins thermiques sur les cinétiques de précipitation de la phase δ
puis à un cas industriel simulant la chauffe d’un lopin précédant le cycle de mise en forme.
2.1 Théorie de la précipitation appliquée à l’Inconel 718
Le rôle des différentes phases de l’Inconel 718 a été présenté dans le Chapitre 1. Seules les
influences des phases γ’, γ’’ et δ sont discutées dans ce chapitre. Les deux phases nanométriques γ’ et
γ’’ ont un effet durcissant sur l’alliage et le traitement thermique après mise en forme (Direct Aged)
permet leur précipitation. En comparaison, le rôle de la phase δ est plus complexe : elle a un effet
adoucissant car elle diminue la fraction disponible de niobium en solution pour la précipitation de la
phase γ’’ [AZA04] et elle peut accroître le durcissement par contrôle de la taille de grains au cours de
la mise en forme [BEA04].
Dans ce chapitre, on s’intéresse à l’évolution de la phase δ lors d’un traitement thermique. Le
Chapitre 3 traite de l’influence et de l’évolution de la phase δ lors du forgeage à chaud (traitement
thermomécanique).
2.1.1 Phases en présence et températures de précipitation
Au cours de traitements thermiques réalisés entre 600 °C et 1000 °C, la microstructure de
l’Inconel 718 évolue. La borne supérieure précédente appartient aux domaines de températures de
mise en forme par forgeage à chaud de l’alliage. C’est pourquoi il faut, avant de s’intéresser à
l’évolution de microstructure au cours de traitements thermomécaniques, connaître les modifications
de la microstructure de l’alliage au cours de traitements thermiques. Cette partie montre et discute des
domaines (Temps-Température) de précipitation des phases de l’Inconel 718 au cours de ce type de
traitements (Figure 2.1.1).
Figure 2.1.1 : Diagramme Transformation-Temps-Température (TTT) de l’Inconel 718 [BRO82]
Ce diagramme TTT présente uniquement les domaines d’existence des phases de l’Inconel
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les températures de solvus des différentes phases présentes dans l’Inconel 718. La température de
solvus (ou solvus) est définie comme la température maximale à laquelle une phase peut être présente,
indépendamment du temps de traitement. Ainsi, le solvus de la phase γ’ est de 850 °C, celui de la
phase γ’’ est de 925 °C et celui de la phase δ est d’environ 1000 °C. Il met également en évidence la
précipitation de la phase α-Cr pour des temps de traitements longs (≈ 10000 h) à des températures
comprises entre 650 °C et 850 °C.
Classiquement, les courbes TTT prennent la forme d’un ″C″, mais celle correspondant à la
phase γ’’ présente une allure particulière. En effet, plus le temps de traitement augmente, plus le
solvus de la phase γ’’ diminue. Ce résultat est probablement liée au domaine d’apparition de la phase δ
montrant qu’il existe une compétition entre la précipitation de la phase γ’’ (phase métastable) et de la
phase δ (phase d’équilibre) mais ce point n’a jamais été développé dans la littérature.
Le diagramme TTT de la Figure 2.1.1 distingue deux cinétiques de précipitation de phase
δ différenciées par les termes : "δ" et "grain boundary δ". Cette affirmation suppose qu’il existe deux
types de phases δ ou deux zones différenciables dans la microstructure de précipitation. Une
explication à cette affirmation sera également apportée au cours de ce chapitre.
La littérature présente plusieurs diagrammes TTT présentant les cinétiques de précipitation
spécifiques de la phase δ
3. Trois de ces diagrammes ont été superposés sur la Figure 2.1.2.
Figure 2.1.2 : Comparaison des diagrammes TTT de la phase δ issus de la littérature
Ces diagrammes correspondent à trois études particulières de la phase δ :
- Beaubois et al.proposent une courbe décrite sous la forme d’une relation entre le temps de
début de précipitation, τ, et la température, T, et identifiée à partir d’observations par microscopie
électronique à balayage [BEA04]:
(2.1.1)
où ΔT est la différence de température entre le solvus de la phase δ et la température considérée
- Thomas et al. reprennent un diagramme équivalent à celui présenté en Figure 2.1.1 [THO06]
3
seuls les diagrammes TTT correspondant aux domaines proches de la mise en forme industrielle ont été retenus. On peut néanmoins citer l’étude de Collier et al. réalisée sur la précipitation de la phase δ à des températures inférieures ou égales à 870 °C [COL88]