L'effet de l'ajout de niobium dans le soudage

1. Le niobium sert d'élément d'alliage pour améliorer les performances de soudage de l'acier inoxydable.

--Découvrons l'effet.

Dans certains aciers inoxydables austénitiques, tels que l'acier inoxydable 347, le niobium est ajouté comme élément d'alliage pour améliorer la résistance à la corrosion intergranulaire. Ceci est particulièrement important pendant le soudage.

En effet, le niobium forme du carbure de niobium (NbC) lorsqu'il interagit avec le carbone, empêchant le carbone de séquestrer le chrome et de former des carbures de chrome (Cr23C6). Les carbures de chrome sont susceptibles de provoquer une corrosion intergranulaire qui peut gravement compromettre l'intégrité du matériau.

En formant des carbures de niobium, le niobium empêche efficacement ce processus, améliorant ainsi la résistance à la corrosion de la soudure et de la zone affectée thermiquement (ZAT).

Ainsi, les aciers inoxydables alliés au niobium sont idéaux pour une utilisation dans des environnements à haute performance, tels que les échangeurs de chaleur, les récipients sous pression et les composants exposés à des températures élevées et à des conditions chimiques agressives.

--Cet effet a été prouvé par plusieurs expériences.

Plusieurs études ont confirmé les effets bénéfiques du niobium dans les applications de soudage. Par exemple, le rôle du niobium dans la zone affectée thermiquement (HAZ) a été analysé en utilisant la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) pour étudier la structure des grains dans les joints soudés. Ces études montrent que l'ajout de niobium conduit à un affinement des grains dans la zone affectée par la chaleur, réduisant l'étendue de la zone affectée par la chaleur à gros grains (CGHAZ). Des grains plus fins dans la ZHA améliorent la microstructure et la ténacité, ce qui rend le matériau soudé plus résistant à la rupture sous contrainte.

Fig. 1 Comparaison de la soudure d'acier inoxydable avec différentes additions de niobium (l'addition de niobium de la partie supérieure est inférieure à celle de l'autre partie).

Source :
"The State of the Art of Long Distance Gas Pipeline in China (L'état de l'art des gazoducs à longue distance en Chine). Chengjia Shang - IGRC - Rio 2017

En outre, les données de recherche issues de projets tels que la collaboration du CBMM à Moscou indiquent que les aciers à forte teneur en niobium présentent une plus grande tolérance à l'augmentation de l'apport de chaleur pendant le soudage. Cette flexibilité améliore la capacité du matériau à supporter les cycles thermiques de soudage et garantit la fiabilité du joint soudé.

2. Technologie de soudage de métaux dissemblables en alliage de niobium et en acier inoxydable

--Importance et défis du soudage de métaux dissemblables

Les alliages de niobium et l'acier inoxydable sont souvent soudés ensemble dans les industries où les deux propriétés de haute performance sont requises. La combinaison des performances exceptionnelles du niobium à haute température, de sa résistance à la corrosion et de sa supraconductivité, avec la solidité et la rentabilité de l'acier inoxydable, rend ce soudage de métaux dissemblables particulièrement attrayant. Toutefois, le soudage de ces deux matériaux présente plusieurs difficultés en raison de leurs différences de propriétés physiques, chimiques et métallurgiques.

• Différences de propriétés thermiques : Le coefficient de dilatation thermique des alliages de niobium (7,3×10-⁶/°C) diffère considérablement de celui de l'acier inoxydable (17,3×10-⁶/°C), ce qui entraîne des contraintes résiduelles.
• Incompatibilité métallurgique : Il existe un risque de formation de composés intermétalliques fragiles, tels que Fe₂Nb et Cr₂Nb.
• Sensibilité à l'oxydation : Le niobium est très sensible à l'oxydation à des températures élevées, ce qui nécessite des mesures de protection strictes.
• Contrôle de la dilution des soudures : Le contrôle de la composition du bain de fusion est un défi.

--Comparaison et sélection des méthodes de soudage

--Méthodes de soudage traditionnelles

Lors du soudage d'alliages de niobium à l'acier inoxydable, le choix de la méthode de soudage appropriée est crucial. Voici une liste des méthodes de soudage traditionnelles.

--Technologies de soudage avancées

Les techniques de soudage avancées, telles que le soudage par friction (FW), le soudage par diffusion (DFW) et le soudage à l'explosif (EXW), peuvent également être utilisées pour relever les défis uniques du soudage des alliages de niobium à l'acier inoxydable.

1. Soudage par friction (FW)

• L'assemblage à l'état solide évite les défauts de soudage.
• Particulièrement adapté aux joints de tuyaux.
• Nécessite un contrôle strict des paramètres (vitesse, pression, temps).

2. Soudage par diffusion (DFW)

• Utilisation de couches intermédiaires (Ti, Cu, Ni) pour améliorer l'adhérence.
• Nécessite un contrôle strict de la température (800-950°C) et de la pression.
• La résistance du joint peut atteindre 90 % de la résistance du matériau de base.

3. Soudage à l'explosif (EXW)

• Convient aux composites en plaques de grande surface.
• L'interface de collage a une forme ondulée, mécaniquement imbriquée.
• Un traitement thermique ultérieur est nécessaire pour éliminer les contraintes résiduelles.

--Principaux points de contrôle du processus

1) Sélection du matériau de la couche intermédiaire

La sélection des matériaux intermédiaires joue un rôle clé dans l'amélioration de la qualité de la soudure et l'atténuation de la disparité des matériaux entre les alliages de niobium et l'acier inoxydable. Les couches intermédiaires telles que le nickel pur, les composites à base de cuivre et les couches de transition vanadium/titane permettent d'atténuer les contraintes résiduelles et d'empêcher la formation de phases fragiles.

Par exemple, une couche intermédiaire de nickel pur supprime efficacement la formation de phases fragiles Fe-Nb, tandis que les couches à base de cuivre peuvent atténuer les contraintes thermiques et assurer une bonne conductivité électrique. L'utilisation de couches de transition en vanadium ou en titane offre une excellente compatibilité avec le niobium et l'acier inoxydable, mais nécessite un contrôle minutieux des températures de diffusion.

2) Contrôle de l'atmosphère protectrice

Le contrôle de l'environnement de soudage est essentiel lors du soudage d'alliages de niobium, qui sont très sensibles à l'oxydation à des températures élevées. Il est recommandé d'utiliser des gaz inertes tels que l'argon ou l'hélium d'une pureté d'au moins 99,999 %. La teneur en oxygène doit être soigneusement contrôlée à moins de 10 ppm et des systèmes de protection à double gaz doivent être utilisés pour garantir l'intégrité de la soudure. Pour le soudage sous vide, la pression doit être maintenue en dessous de 5×10-³Pa pour éviter l'oxydation.

Conclusion

La technologie de soudage des alliages de niobium et de l'acier inoxydable a fait des progrès significatifs. L'ajout de niobium à l'acier inoxydable améliore considérablement les performances de soudage en renforçant la résistance à la corrosion, en affinant la structure du grain et en augmentant la ténacité. Nous espérons que vous comprendrez mieux l'effet de l'ajout de niobium dans le soudage. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Référence :

[1] CHEN Guoqing, GAN Zhanhua, ZHANG Ge, LENG Xuesong (2023). Research Progress of Welding Technology Between Niobium Alloy and Stainless Steel Dissimilar Metal (Progrès de la recherche sur la technologie de soudage entre alliages de niobium et métaux dissemblables en acier inoxydable). Aeronautical Manufacturing Technology. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093

[2] Xingwen Zhou, Yuhua Chen, Yongde Huang, Yuqing Mao, Yangyang Yu, Effects of niobium addition on the microstructure and mechanical properties of laser-welded joints of NiTiNb and Ti6Al4V alloys, Journal of Alloys and Compounds, Volume 735, 2018, Pages 2616-2624, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896.