Acier inoxydable PWHT

Les aciers inoxydables sont largement utilisés dans les équipements industriels en raison de leur résistance à la corrosion et de leur soudabilité, mais ils ne peuvent être utilisés dans des environnements à haute température que si un traitement thermique post-soudure (PWHT) est entrepris pour empêcher la fragilisation de la phase sigma et la fissuration qui s'ensuit.

Les PWHT sont souvent effectués dans une atmosphère telle que l'argon ou l'azote afin de minimiser la formation de phases nocives qui entraînent une diminution de la résistance à la corrosion et une dégradation des propriétés mécaniques au fil du temps.

Résistance à la corrosion

Le chrome est le principal élément de l'acier inoxydable, créant une couche d'oxyde protectrice contre l'oxydation et la corrosion. L'ajout d'autres éléments d'alliage tels que le nickel (Ni) ou le molybdène (Mo) peut encore améliorer la résistance à la corrosion en fonction des conditions environnementales et des besoins de l'application ; les qualités dépendent généralement des besoins de l'industrie ou des besoins de l'application pour déterminer leur composition.

L'acier inoxydable ne fond pas à haute température comme beaucoup d'autres métaux ; cependant, les procédés de soudage peuvent produire une chaleur intense et des cycles de refroidissement rapides qui provoquent des changements microstructuraux en son sein. Il s'agit notamment du grossissement du métal soudé (HAZ) et de la précipitation du carbure de chrome. Ces modifications peuvent compromettre sa solidité, sa ductilité et sa résistance à la corrosion.

Le soudage peut contribuer à la corrosion galvanique, qui se produit lorsque deux métaux entrent en contact. Par exemple, les soudures en acier inoxydable peuvent se corroder en raison d'une attaque galvanique causée par le cuivre (Cu) présent dans le métal de la soudure qui réagit avec l'oxygène du gaz de soudure.

Les aciers inoxydables duplex tels que le 17-4 et le PH13-8Mo offrent une plus grande résistance à la corrosion que les qualités austénitiques telles que le 304 et le 316 ; cependant, ils peuvent toujours être sensibles à la sensibilisation et à la corrosion intergranulaire. Pour résoudre ce problème, les soudures en acier inoxydable duplex doivent être placées dans un environnement exempt de corrosion ; un traitement thermique post-soudure (PWHT) peut également réduire la sensibilité à la sensibilisation et favoriser une bonne résistance à la traction et une bonne dureté après le soudage.

Propriétés mécaniques

Les aciers inoxydables sont généralement des matériaux solides et résistants, mais ils sont susceptibles de subir des modifications au cours des processus de soudage. Lorsqu'ils sont exposés à des températures extrêmes pendant les processus de soudage, le métal soudé et la ZHA peuvent devenir fragiles en raison des cycles thermiques rapides qui provoquent des changements microstructuraux dans le tissu et les matériaux de la soudure/ZHA.

Les procédés de traitement thermique des métaux doivent toujours être appliqués après le soudage afin de protéger et de préserver l'intégrité des composants soudés, bien que leur nécessité dépende en grande partie du type d'élément soudé et des conditions de service prévues.

Les nuances de chrome-nickel austénitiques conçues pour être utilisées dans des environnements de corrosion sévère peuvent nécessiter un PWHT afin de minimiser la sensibilisation lors de l'exposition à des températures élevées, tandis que les nuances destinées à des applications moins agressives ou déjà traitées thermiquement peuvent ne pas nécessiter ce processus supplémentaire.

Des études récentes ont exploré les effets du PWHT sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'acier inoxydable austénitique 316L soudé à l'arc plasma pendant le traitement thermique par fil de plasma (PWHT). Elles ont découvert que la teneur en ferrite augmente avec la température du PWHT, mais que la résistance à la traction, la ténacité, l'uniformité et l'allongement total diminuent avec l'augmentation du temps de PWHT.

Processus de soudage

Le soudage peut avoir un effet considérable sur les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable, mais en choisissant des paramètres de soudage appropriés et en appliquant des traitements thermiques après soudage, les ingénieurs et les soudeurs peuvent minimiser ces effets secondaires et maximiser le potentiel de l'acier inoxydable.

L'acier inoxydable soudé peut subir un traitement thermique post-soudure (PWHT) pour atténuer les contraintes résiduelles et améliorer la soudabilité, en particulier pour les sections de matériau plus grandes ou plus épaisses. Malheureusement, le PWHT peut également entraîner une déformation de la section soudée ; pour limiter ce risque, il convient de la laisser suffisamment lâche pour que sa dilatation et sa contraction n'entraînent pas de déformation au niveau des raccords clés.

Le PWHT permet non seulement de réduire les contraintes, mais aussi de diminuer la fragilisation en phase sigma et les dommages dus au fluage à température élevée en minimisant le gradient de température entre les températures de détensionnement et de recuit de mise en solution.

La microscopie optique a été utilisée pour évaluer les effets du soudage sur la microstructure d'un recouvrement de soudure sous différents apports de chaleur. La teneur en ferrite augmente avec la chaleur de soudage, ce qui indique que la ferrite delta a été préférentiellement transformée en ferrite sigma pendant la fusion, entraînant une perte de poids mesurée par des essais de résistance à la corrosion par piqûre dans un environnement corrosif artificiel.

Exigences

Le traitement thermique post-soudage des aciers inoxydables doit permettre de conserver leurs propriétés mécaniques. Ceci est particulièrement vrai pour les nuances austénitiques où une couche de surface austénitisée formée par la formation d'une couche passive contenant de l'oxyde de chrome reste stable après le soudage pour minimiser les problèmes de corrosion ; le traitement PWHT pourrait cependant démanteler cette barrière et donc diminuer la résistance à la corrosion de ces matériaux.

Il est donc essentiel de savoir quand l'acier inoxydable nécessite ou non un traitement thermique après soudage. La nécessité d'un traitement thermique post-soudure dépend fortement de la qualité de l'acier, des conditions de service prévues et de la procédure de soudage.

De nombreuses applications industrielles qui utilisent l'acier inoxydable ne nécessitent pas de PWHT, comme les soudures dans les installations sous pression. Cela peut s'expliquer par des techniques de soudage avancées, des soudures plus petites et un environnement sans problèmes de corrosion intergranulaire.

Certaines pièces soudées doivent être soumises à un PWHT, notamment celles situées dans des environnements hostiles ou dans des conditions de contraintes élevées. Le PWHT consiste à chauffer le joint à des températures qui favorisent la formation de carbure de niobium ou de molybdène tout en supprimant simultanément la croissance de la partie ferrite d'un alliage appelée "phase sigma", également connue sous le nom de stabilisation thermomécanique.