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RÉSUMÉ
Cet article présente la refusion à l’arc sous vide (VAR), procédé de métallurgie secondaire basé sur l’affinage du métal liquide par le vide et le contrôle de sa solidification dans un creuset refroidi. Il s’applique aux alliages réactifs de titane ou de zirconium purifiés sans contact avec un réfractaire, ainsi qu’aux aciers et aux superalliages dont il améliore la propreté inclusionnaire. Le principe du procédé VAR et la technologie des fours sont détaillés, en insistant sur la conduite des refusions et les aspects de sécurité. Les spécificités de la refusion sont précisées pour différentes nuances. Enfin, l’intérêt de sa simulation comme outil d’aide au choix des paramètres opératoires est illustré.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alain JARDY : Directeur de Recherches au CNRS, - Docteur en Sciences des Matériaux de l’Institut National Polytechnique de Lorraine - Institut Jean Lamour, UMR 7198 Université de Lorraine/CNRS, Nancy, France
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Isabelle CRASSOUS : Ingénieur de Recherche, - Docteur en Electrochimie de l’Université Pierre et Marie Curie Framatome, Centre de Recherche des Composants, Ugine, France
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Sylvain CHARMOND : Ingénieur de Recherche, - Docteur en Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés de l’Institut Polytechnique de Grenoble - Aubert & Duval, Les Ancizes, France
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Vincent DESCOTES : Ingénieur de Recherche, - Docteur en Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés de l’Université de Lorraine - Aperam Alloys Imphy, Centre de Recherche P. Chevenard, Imphy, France
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Stéphane HANS : Responsable du Département R&D Élaboration et Coulée des Alliages, - Docteur en Science et Génie des Matériaux de l’Institut National Polytechnique de Lorraine - Aubert & Duval, Les Ancizes, France
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Yvon MILLET : Responsable R&D Europe - Timet Savoie, Ugine, France
INTRODUCTION
Le procédé de refusion à l’arc sous vide (procédé VAR pour Vacuum Arc Remelting) a été développé à partir des années 1940 pour répondre aux besoins des secteurs industriels de l’aéronautique, de l’énergie et du nucléaire, en matériaux de haute valeur ajoutée destinés à des applications critiques. Les lingots refondus, de géométrie cylindrique, sont compacts et très homogènes, ils ont une masse de plusieurs tonnes et se caractérisent par leurs faibles teneurs en éléments indésirables et par leur propreté inclusionnaire. La refusion à l’arc sous vide est principalement utilisée pour élaborer, avec des productions sensiblement égales, deux types d’alliages métalliques :
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des métaux réactifs (alliages de titane ou de zirconium), préalablement assemblés sous forme de compacts d’éponges issus de la distillation sous vide et d'éléments d'addition, refondus pour éliminer les éléments indésirables (chlore en particulier) et obtenir des lingots exempts de défauts. La refusion VAR est aussi une étape ultime pour les opérations de recyclage des chutes, après une première fusion par bombardement électronique ou torche plasma ;
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des lingots d’aciers (inox, maraging…) ou de superalliages base nickel ou cobalt, à partir d’électrodes consommables obtenues par voie traditionnelle (EAF, AOD, VIM…).
La technologie des fours de refusion, en insistant sur les conditions opératoires et la sécurité du procédé, ainsi que les spécificités de la refusion sous vide, sont discutées en détail dans cet article, dont la dernière partie est consacrée à la modélisation du procédé. Les outils numériques développés permettent de décrire les mécanismes physiques complexes mis en jeu et sont utilisés comme aide au choix des paramètres opératoires. L’objectif de l’article est de donner au lecteur une vue globale sur cette technologie tout en détaillant chaque aspect technique et la particularité de chaque famille d’alliages produite.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des sigles utilisés.
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MOTS-CLÉS
solidification titane arc électrique zirconium superalliages aciers spéciaux propreté inclusionnaire
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5. Conclusion
Le procédé de refusion à l’arc sous vide VAR est une technique incontournable dans le domaine de l’élaboration de matériaux métalliques à haute valeur ajoutée. Ses intérêts multiples (production de lingots compacts et homogènes, contrôle de la structure de solidification, amélioration de la propreté inclusionnaire) conduisent à l’utiliser tant comme méthode de choix pour l’élaboration spéciale des aciers et superalliages, à l’instar du procédé voisin ESR, que comme dernière étape de la production des métaux réactifs, malgré la concurrence des procédés de fusion en creuset froid (EB, plasma) dans le cas des alliages de titane.
Si certains points cruciaux, liés au mécanisme de formation et au comportement dynamique de l’arc électrique sous vide, restent pour partie méconnus, la refusion VAR est maintenant globalement bien maîtrisée. Selon la nuance élaborée, la technologie des fours, les mesures de sécurité et la méthode de régulation peuvent fortement différer. Cependant, le principe même de la refusion reste suffisamment identique pour qu’une même simulation numérique puisse être utilisée afin d’optimiser les paramètres de conduite.
Bien qu’il s’agisse d’un procédé onéreux, la qualité des produits élaborés justifie son emploi, et sa pérennité à court et moyen terme est assurée. À plus long terme, une concurrence à l’élaboration par voie liquide pourrait être représentée par la fabrication additive, à partir d’ailleurs de poudre obtenue elle-même à l’issue d’une filière d’élaboration spécifique qui peut faire intervenir la refusion ! Notons toutefois que les procédés « traditionnels » (refusion + laminage ou forgeage) ont encore de beaux jours devant eux du fait de leur productivité, de la maîtrise des gammes de fabrication, mais aussi de la qualité des microstructures des produits forgés ou laminés.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - JABLONSKI (P.D.), TURNER (P.C.) - Liquid metal processing and casting experiences at the US Department of Energy’s Albany research centre. - In : Proceedings of the 2005 International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting, Santa Fe (USA), p. 83 (2005).
-
(2) - CHOUDHURY (A.) - Vacuum metallurgy. - AMS International (1990).
-
(3) - BERTRAM (L.A.), MINISANDRAM (R.S.), YU (K.O.) - Vacuum arc remelting and electroslag remelting. - In : Modeling for Casting and Solidification Processing, CRC Press, p. 565 (2001).
-
(4) - UxC SPECIAL REPORT - Nuclear grade zirconium alloy market outlook. - UxC LLC (2019).
-
(5) - ZANNER (F.J.), BERTRAM (L.A.), ADASCZIK (C.), O’BRIEN (T.) - Observations of melt rate as a function of arc power, CO pressure, and electrode gap during vacuum consumable arc remelting of Inconel 718. - Metallurgical Transactions B, 15, p. 117 (1984).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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ANNEXES
Liquid Metal Processing & Casting Conference (LMPC), conférence internationale sur les procédés de fusion et de métallurgie secondaire, se tenant tous les deux ans alternativement en Europe et aux Etats-Unis (années impaires).
International Conference on Ingot Casting, Rolling and Forging (ICRF), conférence internationale sur les procédés de refusion, d’affinage et de coulée des lingots, et les procédés aval de transformation.
http://www.aist.org/conference-expositions/icrf/
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Producteurs français d’alliages métalliques refondus par le procédé VAR :
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APERAM Alloys, producteur d’alliages de nickel-cobalt, aciers spéciaux et superalliages.
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AUBERT & DUVAL, producteur...
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