Polissage superalliages base nickel, cobalt et fer : méthode complète et consommables Akasel
Les superalliages sont la famille de métaux la plus exigeante de l'industrie aéronautique et énergétique : ils combinent une résistance mécanique à haute température (> 700 °C), une tenue au fluage et une résistance à la corrosion qui en font des matériaux irremplaçables pour les disques et aubes de turbine. Métallurgiquement, ils sont également les plus complexes : structure austénitique γ (matrice CFC), précipités γ' Ni₃(Al,Ti) cohérents, carbures primaires et secondaires (MC, M₂₃C₆, M₆C), parfois phases topologiquement compactes (TCP : σ, μ, Laves) à éviter, et porosités résiduelles dans les pièces de fonderie ou de fabrication additive. La méthodologie Akasel AKA-brief #20 propose une séquence courte (4 étapes) qui révèle l'ensemble de ces microstructures avec une finition à la silice fumée capable de produire un léger relief contrôlé entre matrice γ et précipités γ', visible en DIC sans attaque chimique additionnelle. Elle s'applique aux nuances Inconel 718, René 80/88, Waspaloy, Udimet 720, Hastelloy, Haynes, ainsi qu'aux pièces de fabrication additive en cours d'industrialisation.
Caractéristiques métallographiques
- Dureté typique
- 200–350 HV (état recuit) · 380–480 HV (Inconel 718 vieilli) · 400–500 HV (René, Waspaloy traités) · jusqu'à 550 HV pour certaines nuances pour disques aéronautiques
- Normes applicables
- ASTM E407 · ASTM E112 · ASTM E1245 (inclusions) · AMS 2300 / AMS 2301 (cleanliness)
- Applications industrielles
- Aubes et disques de turbine aéronautique (Inconel 718, René 88, Udimet 720)
- Chambres de combustion (Haynes 188, Hastelloy X)
- Boulonnerie haute température (A286, Waspaloy)
- Pièces de fabrication additive LPBF (IN718, IN625, CM247LC)
- Industrie chimique et nucléaire (Hastelloy C-276)
Les superalliages base nickel les plus courants (Inconel 718, René 88, Udimet 720) présentent une matrice γ austénitique CFC durcie par précipités cohérents γ' (Ni₃(Al,Ti), structure L1₂) de 50 à 500 nm de taille selon le traitement. L'Inconel 718, le plus utilisé pour son industrialisation aisée, est en réalité durci principalement par γ'' (Ni₃Nb, BCT D0₂₂) plutôt que γ'. La dureté nominale est de 200 à 350 HV à l'état recuit, atteignant 480 HV après vieillissement à 720 °C. Les carbures primaires (MC, riches en Ti, Nb, Ta) apparaissent comme des cubes ou des lattes dans la matrice ; les carbures secondaires (M₂₃C₆, riches en Cr) précipitent aux joints de grains pendant le service à chaud. Les superalliages base cobalt (Haynes 188, MAR-M 509) ont une matrice solid solution durcie par carbures M₆C et M₂₃C₆. Les pièces de fabrication additive (LPBF) présentent souvent des défauts spécifiques : porosités sphériques de gaz, manque de fusion (lack-of-fusion), ségrégations interdendritiques de Mo/Nb (Laves), porosités de retassure. Le contrôle métallographique vise donc à révéler simultanément matrice, précipités intermétalliques, carbures et défauts résiduels.
Méthode de préparation pas à pas
1Tronçonnage
Le tronçonnage des superalliages est l'un des plus exigeants en termes d'usure des disques. L'Inconel 718, par exemple, a une dureté de 350 HV mais une ténacité et un écrouissage qui rendent les disques abrasifs standards inefficaces. La référence Akasel est l'Aka-Cut Fe60 (disque abrasif spécifique aciers et superalliages, grain alumine), avec une avance lente (0,03 à 0,08 mm/s) et un débit abondant d'Aka-Cool 5 % à 8 %. Pour les nuances les plus dures (Waspaloy, Udimet 720, René 88 à l'état traité), basculer sur l'Aka-Cut 2000 HV diamanté à liant métallique qui maintient un tranchant constant sur toute la durée de vie. Pour les pièces critiques (disques de turbine, aubes), où la moindre couche affectée mécaniquement peut masquer les précipités γ', utiliser un disque de précision Aka-Cut 1000 HV 150 mm avec avance très lente (0,02 mm/s) sur machine micro-tronçonneuse. Particularités : (1) les superalliages s'écrouissent fortement — la couche superficielle déformée par la coupe peut atteindre 50 µm, à éliminer impérativement au pré-polissage ; (2) éviter toute interruption de coupe qui peut créer une discontinuité visible sur l'échantillon final ; (3) prévoir un changement de disque plus fréquent que pour les aciers standards (typiquement 2 à 3 coupes par disque sur Inconel 718 contre 10 à 20 sur un 304L). Pour les pièces de fabrication additive avec densité résiduelle, surveiller la formation de copeaux qui peuvent s'incruster dans les pores ouverts.
2Enrobage
L'enrobage des superalliages suit les bonnes pratiques générales avec une attention pour les nuances dont l'état métallurgique est précieux (pièces de turbine en service, validations de traitements thermiques industriels). À chaud, l'Aka-Resin Phenolic noire en cycle court à 180 °C ne provoque pas de modification microstructurale du fait des températures de service très supérieures de ces alliages — l'Inconel 718 est utilisé jusqu'à 650 °C. Pour les pièces avec porosité résiduelle (fonderie, AM), l'imprégnation sous vide avec Aka-Resin Liquid Epoxy + Aka-Cure Slow est obligatoire pour deux raisons : éviter le piégeage de suspension de polissage dans les pores (qui pourraient être interprétés comme des inclusions à l'observation), et caractériser fidèlement la porosité réelle par analyse d'image. Pour les contrôles MEB/EBSD avec mesure d'orientation cristalline ou cartographie EDS, préférer l'Aka-Resin Phenolic SEM conductrice ou ajouter une métallisation conductrice après préparation. Les pièces avec géométrie complexe (aube à profil aérodynamique, par exemple) demandent un soin particulier au positionnement dans le moule pour révéler la section d'intérêt après polissage — utiliser les clips Akasel pour maintenir l'orientation précise pendant le durcissement.
3Pré-polissage
Le pré-polissage des superalliages commence par un planage sur papier SiC Rhaco Grit P220 (lubrification eau, 300 rpm, 25 N) jusqu'à plan. Pour les pièces issues de fabrication additive avec rugosité importante (Sa ≥ 10 µm), démarrer en P120 voire P80 (Rhaco Grit P120/P80) puis enchaîner avec P220 → P320 → P500 → P800 pour bien éliminer la zone affectée par le tronçonnage. Le passage par disque diamanté Aka-Piatto 220+ est une alternative aussi valable et plus économique sur le long terme (un disque pour des centaines d'échantillons vs des feuilles SiC consommables). Étape suivante (pré-polissage diamant) : drap Aka-Largan 9 avec suspension DiaUltra 9 µm, lubrifiant Aka-Lube Blue, 150 rpm, 35 N, 3 minutes. Le grain 9 µm est plus agressif que pour les aciers (qui s'arrêtent à 6 µm) parce que les superalliages s'écrouissent fortement et il faut une étape franche pour atteindre la matrice non déformée. Ne pas chercher à raccourcir cette étape : un sous-pré-polissage laissera une couche écrouie résiduelle qui maquillera les précipités γ' et faussera l'observation. Vérification visuelle à la loupe x10 : la surface doit présenter un poli mat uniforme, sans rayures grossières directionnelles. Si des rayures persistent localement, prolonger 30 s à 1 min de plus.
4Polissage final et attaque chimique
Le polissage final des superalliages se déroule en deux étapes Akasel. Étape 3 : drap Aka-Silk (drap court fin en soie synthétique) avec suspension DiaUltra 3 µm, lubrifiant Aka-Lube Blue, 150 rpm, 30 N, 3 minutes. Le Silk maintient bien la planéité tout en effaçant efficacement les rayures du 9 µm. Étape 4 (chimio-mécanique, indispensable pour révéler γ' et carbures) : drap Aka-Chemal avec silice fumée alcaline 0,2 µm (Fumed Silica Alkaline, sans activation peroxyde — différent de la méthode titane), 150 rpm, 15 N, 2 minutes. Mouiller le drap à l'eau avant démarrage, rincer 10 s à l'eau avant arrêt. Pour les pièces avec porosité résiduelle (fonderie, AM) où l'on souhaite éliminer du métal résiduel adhérent dans les pores, prolonger l'étape par incréments de 2 minutes : un temps plus long avec la silice augmente aussi l'effet d'attaque chimique de la matrice, ce qui facilite l'attaque chimique ultérieure et révèle mieux la microstructure. Pour révéler la microstructure et les précipités γ'/γ'' : attaque de Kalling 2 (5 g CuCl₂ + 100 mL HCl + 100 mL éthanol), immersion 5 à 20 s — révèle joints de grains et carbures. Pour Inconel 718, attaque électrolytique à l'acide oxalique 10 % aqueux (3 V, 5–15 s) qui révèle bien les précipités secondaires. Pour les Hastelloy : Marble (4 g CuSO₄ + 20 mL HCl + 20 mL eau).
Attaques chimiques recommandées
Kalling 2 (CuCl₂/HCl/éthanol) · Acide oxalique 10 % électrolytique pour Inconel 718 · Marble (CuSO₄/HCl/eau) pour Hastelloy · Glycérégia pour cobalt-base.
Séquence Akasel — récapitulatif (système 300 mm, échantillon Ø 40 mm)
| Étape | Surface | Abrasif | Lubrifiant | Vitesse | Force | Temps |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. Planage | Rhaco Grit P220 | Papier SiC grain 220 | Eau | 300 rpm | 25 N | jusqu'à plan |
| 2. Pré-polissage diamant | Aka-Largan 9 | DiaUltra 9 µm | Aka-Lube Blue | 150 rpm | 35 N | 3 min |
| 3. Polissage diamant fin | Aka-Silk | DiaUltra 3 µm | Aka-Lube Blue | 150 rpm | 30 N | 3 min |
| 4. Finition oxyde | Aka-Chemal | Silice fumée 0,2 µm alcaline | — | 150 rpm | 15 N | 2 min |
Sur système 250 mm, augmenter les temps de 30 %. Sur 200 mm, doubler les temps. Adapter les forces au prorata de la surface réelle si plusieurs échantillons.
Produits Akasel recommandés
Sélection des consommables Akasel utilisés dans cette méthodologie, par ordre d'intervention.
Aka-Cut Fe60
Aka-Cut 2000 HV
Aka-Cool
Aka-Resin Phenolic
Aka-Resin liquide Epoxy
Rhaco Grit P220
Aka-Largan 9
DiaUltra 9 µm
Aka-Silk
DiaUltra 3 µm
Aka-Chemal
Aka-Lube bleu
Questions fréquentes
Les précipités γ' de mon Inconel 718 ne sont pas visibles après préparation — pourquoi ?
Comment caractériser la porosité d'une pièce LPBF en Inconel 625 sans biais ?
Comment détecter les phases topologiquement compactes (TCP) type σ ou Laves ?
Faut-il une attaque pour mesurer la taille de grain γ d'un Waspaloy ?
Quelles différences entre la méthode #20 superalliages et la méthode #19 superalliages revêtus ?
Pour aller plus loin
Source originale (anglais)
Akasel AKA-Brief #20 — superalliages base nickel, cobalt et fer (PDF)Document publié par Akasel A/S, Danemark. Disponible en français sur demande auprès de Metallab.