Elaboration de carbures cémentés à gradient de propriétés par imbibition réactive : application au forage pétrolier

Les carbures cementes sont tres utilises dans l’industrie du forage petrolier et minier, et dans l’usinage en tant que pieces resistantes a l’abrasion et a l’impact. En effet, ces materiaux possedent un excellent compromis entre durete et tenacite. Cependant, des conditions de plus en plus severes, comme le forage profond pour l’industrie petroliere et haute temperature pour la geothermie, rendent necessaire le developpement de tels materiaux encore plus performants. Ils doivent etre a la fois plus tenaces mais egalement resister a des usures abrasives toujours plus severes. Afin d’ameliorer ces deux proprietes antagonistes, l’idee la plus simple est de conserver les memes constituants dont les proprietes intrinseques restent interessantes puis d’introduire dans ce materiau un gradient de composition, i.e. un gradient de phase liante. Dans le domaine des carbures cementes, l’interet de ce concept a ete demontre des les annees 70, avant meme le foisonnement d’etudes dix ans apres pour les materiaux FGMs (Functionally Graded Materials) impulse par le Japon. Depuis, de nombreux travaux ont concerne l’elaboration et la caracterisation de tels materiaux FGMs qui depassent largement le cadre des carbures cementes mais sont le plus souvent issus de la famille des cermets et des alliages lourds (Heavy alloys). Toutefois, peu de materiaux a gradient de composition ont ete industrialises. Les principales limitations des premiers procedes de gradation des carbures cementes etaient la formation de structures graduelles sur de trop faibles distances (inferieures au mm), leur mise en oeuvre delicate par certaines techniques issues du frittage conventionnel ou encore la formation de defauts metallurgiques (presence de phases η-M6C) compromettant le benefice apporte par la gradation. Les travaux presentes ici concernent le procede d’imbibition reactive actuellement developpe par Armines/Centre des Materiaux Mines-ParisTech et la societe Varel Europe qui est l’un des derniers outilleurs francais installe pres de Tarbes. Ce procede peut etre decompose en deux procedes de gradation, a savoir : l’imbibition et le revetement reactif. Le role de l’imbibition est d’enrichir graduellement en phase liante et en volume le coeur d’une piece en carbure cemente dense. Quant au revetement reactif, son role est de venir durcir graduellement la surface de ce meme materiau a l’aide d’une fine precipitation de borures ternaires, aux depens de la phase liante et des carbures WC, sur egalement des profondeurs millimetriques. Le procede d’imbibition reactive decrit ci-dessus est le seul procede de gradation connu a ce jour permettant de generer des gradients continus de plusieurs centaines de HV sur des dizaines de millimetres. Dans le cas de pieces industrielles (inserts tricone et taillants PDC (Polycrystalline Diamond Compact)), les gradients de durete obtenus sont de l’ordre de 450 HV sur 25 mm. Ces differentes parties actives des deux principaux outils de forage (tricone et PDC) ont montre une hausse tres significative de leurs performances en laboratoire apres traitement par imbibition reactive. Leurs resistances a l’abrasion presentent une augmentation de l’ordre de 30 a 100% par rapport a des outils non gradues. De meme, leurs resistances a l’impact s’averent superieures en moyenne a 20% mais peuvent etre au maximum de 40% pour certaines configurations. Des essais chantiers sont en cours et les premiers resultats sont encourageants.