Sur le développement de poudres et mélanges d'aciers ferritiques durcis avec du NiAl et des phosphures

Ce document présente le développement d'un acier inoxydable ferritique durci par durcissement structural, allié avec de l'aluminium et produit par métallurgie des poudres pour des applications de résistance à l'usure et à la corrosion à 300 °C. Les principaux enjeux de ce projet ont été l'oxydation de l'aluminium et la formation de précipités NiAl dans la ferrite. Ce document donne une bonne idée du potentiel de ce type d'acier et identifie les défis à relever pour en continuer le développement. Dans cette étude, les phases responsables du durcissement structural sont des précipités riches en NiAl et des phosphures riches en chrome. Pour les compositions chimiques étudiées, le pic de dureté associé au NiAl est atteint à 550 °C alors qu'il est atteint à 500 °C pour les phosphures (revenus de 2 h) et le gain de dureté est nettement supérieur avec les phosphures (gain de 11 HRA) qu'avec les précipités NiAl (gain de 5 HRA). C'est en utilisant les deux phases en même temps qu'il est possible de maximiser la dureté et la résistance à l'adoucissement de l'acier ferritique. La première partie du texte présente le développement d'une poudre préalliée (LCR0 = 11.4 Cr, 10.0 Co, 5.7 Al, 5.1 Ni et Fe en %m) atomisée au gaz. À l'état atomisé, les particules sont recouvertes d'une fine couche (< 10 nm) d'oxyde riche en fer et contenant de l'aluminium. Lors du frittage d'un mélange contenant de la poudre de fer et de la poudre LCR0, l'aluminium diffuse à la surface des particules LCR0 et forme une couche d'alumine qui empêche le frittage. Il est toutefois possible d'activer le frittage à l'aide d'une phase liquide riche en Cu qui diffuse à l'interface acier/alumine, détache l'alumine de l'acier et la modèle sous forme de sphères dont le diamètre est de l'ordre du micron. La poudre LCR0 a également été mise en forme par frittage sélectif par laser. La surface des échantillons imprimés contient des fissures et la microstructure contient des particules arrondies d'alumine distribuées aléatoirement de tailles micrométriques et nanométriques. L'analyse des résultats suggère qu'utiliser une puissance de laser plus faible pourrait minimiser la quantité de fissures en surface des pièces imprimées. La deuxième partie du texte présente le développement d'un mélange pour fabriquer un acier par compaction et frittage contenant de la poudre d'acier inoxydable 316L, des particules de FeAl et des particules de Fe3P. Le frittage de ce type de matériau doit être effectué dans une atmosphère pauvre en azote étant donné que ce dernier consomme l'aluminium ce qui empêche la formation de précipités NiAl et peut même empêcher le frittage. Une dureté de 71 HRA a été obtenue avec un mélange contenant 15 %m de FeAl et 8 %m de Fe3P après un revenu de 24 h à 500 °C. Le matériau est durci par des précipités NiAl et des phosphures nanométriques. Le matériau est plus résistant à l'usure à 300 °C que l'acier de travail à chaud corroyé AISI H13 (profondeur d'usure de 268 µm et 309 µm respectivement) et forme une couche protectrice d'alumine lorsqu'exposé à l'air à haute température (900 °C). Cependant, la quantité de phosphore nécessaire pour assurer un bon frittage crée un réseau intergranulaire riche en phosphore qui fragilise le matériau et qui se corrode de manière préférentielle. La dernière partie du texte évalue la possibilité de fritter ce type d'acier sans générer une phase intergranulaire fragile riche en phosphore. Bien que le cuivre soit efficace pour activer le frittage, celui-ci précipite avec une forme allongée dans la ferrite, agit comme site de germination hétérogène et modifie la morphologie des précipités NiAl primaires. Ceux-ci adoptent alors une forme allongée plutôt que la forme cubique usuelle ce qui diminue la dureté du matériau (54 HRA). L'utilisation de l'étain conjointement avec le cuivre provoque la formation de précipités de type (Cu,Ni)Sn dans la ferrite au lieu des précipités de cuivre. La formation de ces précipités au lieu des précipités de cuivre permet de rétablir la morphologie cubique des précipités NiAl ce qui a pour effet d'augmenter la dureté (de 54 à 64 HRA). Une poudre préalliée et atomisée à l'eau (15.7 Cr, 5.0 Ni, 2.5 Mo, 2.2 Al et Fe en %m) est recouverte d'une couche d'oxyde riche en fer qui contient de l'aluminium et des îlots d'oxynitrures riches en Al. La poudre contient également des flocons d'oxynitrures d'aluminium internes. Un mélange contenant cette poudre préalliée, 8 Cu, 2 Sn et 2 Fe3P (en %m) a une dureté de 63 HRA après un revenu de 24 h à 500 °C. La limite de rupture transversale de cet acier est supérieure à celle de l'acier contenant de la poudre 316L, 15 %m de FeAl et 8 %m de phosphore (830 vs 490 MPa), mais sa résistance à l'usure est inférieure (profondeur d'usure de 540 µm vs 268 µm). Finalement, du NiMg a été ajouté à des mélanges pour protéger l'aluminium de l'oxydation lors du frittage. La protection est efficace lorsqu'un taux de chauffe rapide est utilisé lors du frittage. Le taux de chauffe limite à partir duquel la protection s'active reste encore à déterminer. Ce document est possiblement un des premiers qui discute en détail de la métallurgie des poudres d'aciers alliés avec de l'aluminium. Les résultats, discussions et recommandations présentées constituent un nouveau point de départ pour en poursuivre le développement.