Structure cristalline des superalliages de cobalt

2.2 Le tribosystème . . . . 39

2.2.1 Configuration . . . . 39 2.2.2 Propriétés du contre-corps . . . . 41

2.3 L’essai de fretting-usure . . . . 42

2.3.1 Banc d’essai de fretting-usure . . . . 42 2.3.2 Suivi d’un essai caractéristique . . . . 44

2.4 Techniques de caractérisation physico-chimiques et mécaniques 47

2.4.1 Caractérisations physico-chimiques . . . . 47 2.4.2 Caractérisations mécaniques . . . . 51

2.5 Chargement mécanique du contact . . . . 54

2.5.1 Contact hertzien . . . . 54 2.5.2 Contact élasto-plastique . . . . 55 2.5.3 Prise en compte de l’écrouissage superficiel . . . . 57

Ce chapitre 2 expose les matériaux et le système tribologique étudié. Puis, le dispositif ex-périmental, les techniques de caractérisation ainsi que la démarche expérimentale adoptée dans ce manuscrit seront exposées. Pour finir, une rapide étude mécanique est réalisée afin de compléter la description du contact à l’état initial.

2.1 Le Haynes 25

Le matériau étudié dans ce travail de thèse est le Haynes 25 (HS25), fourni par la compagnie Haynes International. Cet alliage est constitué d’une base cobalt avec de nombreux éléments en insertion solide ou sous forme de carbures. La composition chimique est listée en table 2.1.

Table 2.1 – Composition chimique du HS25 (% massique) d’après le certificat de confor-mité Haynes International

C Co Cr Fe Mn Ni P Si W

0,1 50,88 20,28 2,18 1,39 10,16 0,0002 0,12 14,89

Un rapide exposé sur les propriétés des alliages de cobalt est réalisé dans la sous-section suivante avant de présenter plus en détails les caractéristiques microstructurales et mécaniques de l’alliage HS25.

2.1.1 Structure cristalline des superalliages de cobalt

Les alliages de cobalt sont fréquemment utilisés en industrie pour leurs bonnes propriétés mécaniques à chaud ainsi que pour leur résistance à la corrosion. La plupart des propriétés mécaniques de ces superalliages proviennent de la nature cristallographique du cobalt, ren-forcée par les nombreux éléments en insertion solide ainsi que par la formation de carbures métalliques [90]. Le cobalt est thermodynamiquement stable à température ambiante sous la forme HC (Hexagonale Compacte,  Co) et sous la forme CFC (Cubique Face Centrée, α -Co) à partir de 417˚C et ce jusqu’à sa température de fusion, à 1493˚C. Les paramètres de maille de ces deux structures cristallines sont donnés dans la table 2.2.

Table 2.2 – Paramètres de maille du cobalt

Hexagonal compact ( - Co) Cubiques face centrées (α - Co) a = 0,2507 nm ; c = 0,4069 nm ; c/a = 1,623 a = 0,3544 nm

La transformation martensitique du cobalt pur est une transformation dite displacive, c’est-à-dire sans phénomène de diffusion, se produisant uniquement grâce à une force extérieure de cisaillement [91]. Cette transformation trouve sa source dans les défauts d’empilement, importants dans la maille CFC aux hautes températures, qui représentent le désordre très local de quelques couches d’atomes dans la matrice. L’arrangement classique de la maille est une succession d’empilements de plans de type A/B/C/A/B/C (projection par rapport aux plans denses [111]), présenté en figure 2.1.a. Un défaut d’empilement amène à une absence du plan B, formant ainsi une structure HC très localement (épaisseur de deux plans atomiques, illustrée dans la figure 2.1.b). De tels défauts, associés à une faible variation d’énergie libre constituent la source des transformations martensitiques du cobalt. La succession de deux défauts d’empilement (figure 2.1.c) créée une organisation en miroir B/C/A/C/B amenant à la formation de macles [92].

Figure 2.1 – Séquence d’empilement du plan dense [111] dans le réseau et défauts d’em-pilement [93]

La température de transformation de phase est, dans le cas d’alliage, très dépendante de la nature des éléments d’insertion. La forme α - Co est très instable due à une énergie de défaut d’empilement faible, permettant facilement la transformation CFC → HC par cisaillement [90]. La phase CFC présente une meilleure ductilité et un durcissement par écrouissage plus important que la phase HC. Ainsi, les alliages de cobalt sont très souvent stabilisés en structure métastable α – Co à température ambiante [91].

Figure 2.2 – Effet des éléments d’alliage sur la température de transformation martensi-tique en fonction de leur solubilité dans la maille de cobalt [94]. Les éléments entourés en

rouge sont ceux présents dans l’alliage HS25

Cette stabilisation de la phase α est rendue possible par l’ajout d’éléments alphagènes comme le carbone, le fer, le nickel ou le manganèse permettant d’augmenter l’énergie des défauts d’empilement et ainsi d’abaisser le seuil de transformation HC → CFC jusqu’à la tempéra-ture ambiante. De ce fait, la transformation ne peut se faire que par sollicitation mécanique

externe. La figure 2.2 présente l’influence de l’ajout de 1% d’éléments d’alliage sur la tem-pérature de transformation martensitique [94]. Le nickel, le fer ou encore le manganèse sont de très bons candidats pour abaisser la température de transformation car ils présentent, en plus, une très grande solubilité dans la maille cristalline du cobalt. Dans le cas du HS25, l’ajout de nickel, de fer, de manganèse et de carbone participe fortement à la stabilisation de la phase CFC à température ambiante. Finalement, la structure métastable CFC possède une grande limite d’élasticité, un taux d’écrouissage maximal important et une capacité à absorber les contraintes facilement en passant d’une structure CFC à HC par la coalescence de défauts d’empilement [90,95,96].

Outre leur capacité à influencer sur l’énergie des défauts d’empilement, les éléments d’alliage améliorent les propriétés mécaniques et anticorrosion du métal. Le chrome et le tungstène participent au durcissement du métal par insertion en solution solide et par formation de carbures. Le taux de carbone permet lui de contrôler le taux de carbures formés. Par exemple, 2,4 % massique de carbone permet la constitution de carbures atteignant 30 % massique du poids total de l’alliage [90]. Le type de carbure formé dépend de la concentration en carbone et en autres éléments ainsi que des traitements thermiques appliqués à l’alliage. Les carbures les plus communs sont M₂₃C₆ et M₆C [93]. La résistance à la corrosion est, quant à elle, principalement due à l’ajout de chrome et de manganèse qui possèdent une grande affinité chimique avec l’oxygène [67].