Rôle du Traitement Thermique dans l'Amélioration des Propriétés Mécaniques des Tubes Duplex 2205

Rôle du Traitement Thermique dans l'Amélioration des Propriétés Mécaniques des Tubes Duplex 2205

Le duplex 2205 (UNS S32205/S31803) est réputé pour son excellente combinaison de résistance et de résistance à la corrosion, une caractéristique découlant de son mélange quasi équivalent de phases austénitique et ferritique. Toutefois, ces propriétés supérieures ne sont pas intrinsèques à l'état brut ou après travail à froid ; elles sont délibérément conférées par une étape critique et rigoureusement contrôlée de fabrication : le recuit de solution suivi d'une trempe.

Ce procédé n'est pas simplement recommandé ; il s'agit d'une exigence fondamentale pour atteindre les propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion spécifiées dans des normes telles que l'ASTM A790 et l'ASME SA790.

1. Le problème « en état de fonctionnement » : pourquoi le traitement thermique est nécessaire

Le tube duplex 2205 est généralement fabriqué par un procédé d'extrusion à chaud ou de pilgerie. Ces opérations impliquent une déformation importante à haute température, ce qui entraîne plusieurs problèmes :

• Précipitation des phases intermétalliques : Dans la plage de température d'environ 600 °C à 1000 °C (1112 °F à 1832 °F) , des phases secondaires nocives peuvent précipiter aux joints de grains de la ferrite. Les plus courantes et les plus néfastes sont :

  • Phase sigma (σ) : Une phase fragile, riche en chrome, qui détruit la ténacité et réduit considérablement la résistance à la corrosion.

  • Phase chi (χ) : Une autre phase intermétallique fragile ayant des effets négatifs similaires.

  • Nitrures et carbures : Des précipités de nitrures de chrome (Cr₂N) ou de carbures (M₂₃C₆) peuvent se former, appauvrissant la matrice environnante en chrome et créant des sites propices à la corrosion par piqûres.

• Contraintes résiduelles élevées : Les procédés de mise en forme mécanique laissent des contraintes internes (résiduelles) importantes dans le matériau.

• Ratio de phases déséquilibré : La déformation peut perturber l'équilibre idéal austénite-ferrite de 50/50, entraînant potentiellement un excès d'une des phases, ce qui compromet les propriétés optimales.

Dans cet état, le tube présenterait une faible résistance à la corrosion, une ténacité au choc réduite et des propriétés mécaniques inconstantes.

2. La solution : Recuit de mise en solution et trempe

Le traitement thermique des aciers inoxydables duplex est une opération en deux étapes conçue pour résoudre tous les problèmes mentionnés ci-dessus.

Étape 1 : Recuit de mise en solution (maintien isotherme)

Le tube est chauffé à une température suffisamment élevée pour mettre tous les éléments d'alliage en solution solide et dissoudre tout précipité nocif. Pour le duplex 2205, cette plage se situe généralement entre 1020°C et 1100°C (1868°F à 2012°F) .

• À cette température :

  • Les phases sigma, chi et autres se dissolvent dans la microstructure.

  • Les éléments d'alliage (Cr, Mo, N, Ni) deviennent uniformément répartis.

  • La phase ferrite est fortement dominante à ces températures.

Étape 2 : Trempe rapide

C'est la partie la plus critique du processus. Le tube est refroidi rapidement, généralement par trempe à l'eau (« jet d'eau » ou bac de trempe), afin de traverser rapidement la plage de température critique (600-1000°C) où des phases nocives se forment.

• La trempe rapide :

  • « Verrouille » la structure homogène, sans précipités.

  • Permet la reformation de la quantité correcte d'austénite à partir de la ferrite pendant le refroidissement, ce qui donne ~50 % austénite / ~50 % équilibre des phases ferritiques .

  • Empêche la re-précipitation de la phase sigma et des nitrures de chrome.

3. Comment cela améliore les propriétés mécaniques

Le traitement thermique de mise en solution crée directement les propriétés mécaniques qui rendent le tube Duplex 2205 si précieux.

4. Le lien avec la résistance à la corrosion

Bien que l'accent soit mis sur les propriétés mécaniques, il est impossible de les dissocier des performances en matière de corrosion. Les mêmes précipités qui détruisent la ténacité détruisent également la résistance à la corrosion :

• Phase Sigma : Riche en chrome et en molybdène. Leur formation appauvrit la matrice environnante en ces éléments essentiels à la résistance à la corrosion, créant des sites anodiques très sensibles à la corrosion par piqûres et par crevice.

• Nitrures de chrome (Cr₂N) : De même, ils appauvrissent les zones environnantes en chrome, rendant ces régions vulnérables aux attaques.

Un tube correctement traité thermiquement n'est pas seulement plus résistant et plus tenace ; il est également extrêmement résistant à la corrosion. Un tube mal traité connaîtra une défaillance prématurée dans les environnements précis pour lesquels il a été conçu.

5. Le rôle de l'inspecteur : Vérifier le traitement thermique correct

Vous ne pouvez pas confirmer visuellement un traitement thermique correct. La vérification s'effectue par :

1. Certificat d'essai de laminage (MTC) : Le certificat (de préférence EN 10204 3.1) doit confirmer que le cycle de traitement thermique a été effectué. C'est la première ligne de défense.

2. Analyse micrographique : Le test définitif. Un échantillon attaqué est examiné au microscope pour vérifier :

   • Équilibre des phases : Un ratio austénite-ferrite d'environ 50/50.

   • Absence de précipités : Pas de phase sigma ni de nitrures de chrome aux joints de grains.

3. Essai de dureté : Un test rapide sur site. Des valeurs en dehors de la plage spécifiée (généralement HRC 30-32 maximum) peuvent indiquer un traitement thermique incorrect ou une contamination.

4. Essai de Résilience : Les essais Charpy à entaille en V sont souvent spécifiés pour les applications critiques afin de mesurer directement la ténacité.

Conclusion : L'étape incontournable

Le traitement thermique n'est pas un « complément » optionnel pour les tubes en Duplex 2205 ; c'est l' étape de fabrication déterminante qui transforme une pièce métallique travaillée en un matériau d'ingénierie haute performance.

• Pour les fabricants : Il nécessite un contrôle précis du temps, de la température et de la vitesse de trempe. Des écarts peuvent entraîner la mise au rebut d'une entire fournée de tube.

• Pour les acheteurs et les ingénieurs : Spécifier et vérifier le traitement thermique adéquat via des rapports de contrôle certifiés (MTR) et, si nécessaire, par inspection tierce, est essentiel pour garantir que le système de tuyauterie installé offrira les performances mécaniques et la longévité promises.

Investir dans des tubes provenant d'un laminoir réputé, qui maîtrise rigoureusement ce processus, est le seul moyen de s'assurer d'obtenir toute la valeur du Duplex 2205.