Les aciers inoxydables Duplex : une synthèse complète

Utilisés dans des domaines exigeants tels que la pétrochimie, les aciers inoxydables duplex se distinguent par leurs propriétés mécaniques et leur très bonne résistance à la corrosion. Ils représentent toutefois plusieurs défis de fabrication, en particulier en soudage. Voici une synthèse complète de la composition, des propriétés, des applications et des avantages de ces aciers inoxydables spécifiques.

Introduction aux aciers inoxydables duplex

Les aciers inoxydables duplex représentent une catégorie distincte d'aciers. Ils sont connus pour leur structure unique, qui combine les phases ferritique et austénitique. Cette dualité leur confère une combinaison attrayante de propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion. Le terme "duplex" vient de cette structure biphasée, qui équilibre les caractéristiques des deux types d'acier inoxydable : DUAL PHASE en anglais.

Microstructure d’un duplex : en sombre la ferrite et en clair l’austénite.

Le développement des aciers duplex remonte au milieu du 20e siècle, mais ils ont été significativement améliorés au cours des dernières décennies. Cette évolution a été motivée par la nécessité d'offrir des solutions adaptées aux environnements industriels exigeants, notamment ceux exposés à une corrosion sévère.

Aujourd'hui, les aciers duplex sont utilisés dans une variété d'applications industrielles, allant de la construction de pipelines à la fabrication d'équipements standard… Leur résistance exceptionnelle à la corrosion et leurs excellentes propriétés mécaniques y sont particulièrement utiles.

Composition et propriétés des aciers duplex

Les aciers duplex se caractérisent par une composition chimique unique. Ils contiennent des niveaux élevés de chrome, nickel et molybdène. Le chrome et le molybdène augmentent leur résistance à la corrosion, notamment la corrosion par piqûre. Le nickel et le molybdène équilibrent les phases ferritique et austénitique. L’amélioration des propriétés mécaniques est liée à l’ajout d’azote dans la composition chimique. Leurs propriétés les rendent particulièrement adaptés à des applications exigeantes et à des environnements contraignants.

Les avantages des aciers duplex

Les aciers duplex sont réputés pour leur résistance exceptionnelle à la corrosion, en particulier la corrosion par piqûre et crevasse. Ils offrent par ailleurs d'excellentes propriétés mécaniques, une forte résistance à la traction, une grande dureté, une bonne ductilité et résilience… Les aciers duplex surpassent souvent les autres types d'aciers inoxydables pour certaines applications. Leur structure biphasée confère une solidité structurelle remarquable, et ils ont l’avantage de mieux résister aux contraintes mécaniques et à l'usure.

Ainsi, pour la même résistance à la corrosion et avec des propriétés mécaniques supérieures, on peut par ce choix de famille d’alliage, optimiser la résistance à la corrosion et diminuer le poids en métal (diminution des épaisseurs pour la même résistance mécanique). Un gain de coût est donc possible sur certaines applications.

Les limitations des aciers duplex

Malgré leur performance, l’utilisation des aciers duplex présente certaines limitations. Ainsi, ils sont sensibles aux températures élevées qui peuvent causer des modifications structurales. C’est la fragilité de la phase ferritique qui impacte l’utilisation des aciers Duplex en température. Par ailleurs, il est important de contrôler rigoureusement la température lors du traitement de ces aciers. Lors du passage entre 600 et 900°C, les précipitations de phases intermétalliques sont possibles selon les vitesses de refroidissement. Certaines d’entre elles sont fragilisantes.

A noter : La phase ferritique fragile à basses températures ne permet pas l’utilisation des Duplex à des températures inférieures à -40°C.

La fabrication des aciers duplex peut être complexe et nécessiter des techniques spécifiques, surtout en matière de soudage. De ce fait, un savoir-faire spécialisé peut être requis pour éviter des problèmes de porosité ou de fissuration. Cela a donc un impact sur les coûts de production.

Ces défis doivent être pris en compte pour tirer pleinement parti des avantages des aciers duplex, tout en minimisant les risques.

L’application des aciers duplex

• Dans l'industrie pétrolière et gazière :

Les aciers duplex sont prisés pour leur robustesse face aux environnements exigeants. Leur résistance à la pression et à la corrosion en fait des matériaux parfaits pour les équipements offshores et les pipelines.

• En chimie et dans le domaine de la désalinisation :

Les aciers duplex sont appréciés pour leur résistance chimique et leur résistance à la corrosion. Ils sont couramment utilisés dans les réacteurs, les échangeurs de chaleur et les systèmes de traitement de l'eau, où leur durabilité face aux produits chimiques agressifs est un atout majeur.

• Dans le secteur de la construction et des infrastructures :

Les aciers duplex trouvent leur place dans la construction de ponts, de bâtiments et d'autres structures architecturales. Leur force, combinée à leur résistance à la corrosion, les rend parfaitement adaptés à ces applications.

Fabrication et mise en œuvre des aciers duplex

L'usinage et la mise en forme des aciers duplex exigent une attention particulière. Ils nécessitent en effet des outils et des techniques spécifiques, adaptés à leur dureté supérieure. Mais la soudure des aciers duplex demande aussi des compétences et un savoir-faire spécifiques.

Ainsi, la transposition des aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques vers les aciers inoxydables duplex n’est pas directe, elle nécessite l’étude complète des machines, outillages et méthodes à utiliser. Ce constat est lié aux différences de comportement. Pour cela, on citera par exemple :

• Utiliser des vitesses de coupe et lubrifiants adaptés ;

• Observer une planification minutieuse pour éviter les déformations et assurer une finition de qualité ;

• Choisir des méthodes et des matériaux de soudage compatibles ;

• Adapter les gaz de protection et d’inertage

• Maîtriser la température et prévenir la surchauffe, afin de maintenir l'équilibre entre les phases ferritique et austénitique ;

• Adapter les techniques de soudage pour éviter les problèmes tels que la corrosion ou la fragilisation ;

• Enfin, avoir une bonne pratique de soudure garantit la résistance et la durabilité des assemblages en acier duplex.

Variétés et sélection des aciers duplex

Le développement des nuances austéno-ferritique s’est intensifié vers des applications plus standardisées au moment où la spéculation sur le nickel était à son apogée. Cette famille d’aciers inoxydables qui demandent presque 2 fois moins de nickel que les austénitiques, a vu sa gamme de nuance évoluée, notamment vers des nuances de remplacement des austénitiques très répandus. Des nuances ont donc été conçues pour permettre des utilisations en milieux moins agressifs que l’offshore ou le pétrole et à un coût intéressant. 

Ainsi, les aciers duplex se déclinent en plusieurs nuances comme pour chaque famille d’aciers inoxydables,  chacune ayant des caractéristiques spécifiques. Parmi les plus courantes, on trouve par exemple :

• Le 2205 ou 1.4462, connu pour son équilibre optimal entre résistance à la corrosion et propriétés mécaniques, c’est souvent la nuance de référence. Elle est très utilisée dans le pétrole.

• Le 2507 ou 1.4507, un super duplex offrant une résistance encore supérieure, notamment dans les environnements très corrosifs.

Le choix de la bonne nuance d'acier duplex dépend de facteurs tels que l'environnement d'utilisation, les contraintes mécaniques et chimiques, ou encore les propriétés spécifiques requises, comme la résistance à la corrosion par piqûres. C’est ainsi qu’on les définit par leur indice PRE : Pitting Resistance Equivalent, formule de calcul basée sur la composition chimique et qui caractérise le comportement face à la corrosion par piqûres. Cet indice permet de les classer et de les comparer aux nuances d’aciers inoxydables. 

On peut les répartir en plusieurs classes : LEAN Duplex, DUPLEX, SUPER duplex et HYPER duplex.

L’indice PREN des austéno-ferritiques s’étend de 25 à plus de 50, là où l’acier inoxydable austénitique 1.4307 (AISI304L) est à 18 et le 1.4404 (AISI316L) est à 24.

Une sélection appropriée des aciers duplex permet d'utiliser pleinement leurs avantages tout en répondant aux besoins spécifiques de l'application.

L’avenir des aciers duplex

L'avenir des aciers duplex est marqué par des innovations constantes. Les scientifiques et ingénieurs se concentrent sur l'amélioration de leurs propriétés, pour obtenir de meilleures performances mécaniques à partir de compositions chimiques adaptées. De nouveaux alliages sont également en cours d'élaboration, dans le but d’étendre encore plus leurs applications.

Les aciers duplex présentent par ailleurs un fort potentiel pour de nouvelles applications et industries. C’est le cas par exemple pour le secteur des énergies renouvelables, des technologies avancées, ou encore des infrastructures critiques… Ces développements positionnent les aciers duplex comme des matériaux clé dans l'ingénierie de demain.

Conclusion

Matériaux indispensables dans l'industrie moderne, les aciers duplex répondent à de plus fortes exigences en termes de durabilité et résistance. Avec leur structure biphasée unique, ils offrent une combinaison exceptionnelle de résistance à la corrosion et de propriétés mécaniques.

Du LEAN DUPLEX  à l’HYPER DUPLEX, chaque nuance apporte des avantages spécifiques, pour diverses applications industrielles (les équipements ménagers, la pétrochimie, la désalinisation, la construction…).

Les aciers duplex posent certains défis de fabrication, notamment de soudage et d'usinage. Néanmoins, les recherches en cours promettent d’élargir encore leur applicabilité et leur efficacité.

Ressources complémentaires pour aller plus loin

Qu’il s’agisse de lectures ou de formations, diverses ressources sont disponibles pour mieux comprendre les aciers duplex et leurs applications.

Lectures recommandées sur les aciers inoxydables duplex

Ces guides et articles spécialisés vous offrent des informations détaillées sur les aciers duplex et leurs applications :

• Le “Guide pratique pour le travail des aciers inoxydables duplex”, de l*’International Molybdenum Association* (IMOA).

• “Les aciers inoxydables austéno-ferritiques en fils et barres et leur utilisation dans l’industrie de l’eau”, article de la revue technique TSM (Techniques, Science, Méthodes).

• “Le soudage des aciers inoxydables duplex et super duplex”, article scientifique rédigé par L. Van Nassau, H. Meelker et J.Hilkes et publié par le Nickel Institute.

Nos formations autour de l’acier inoxydable :

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• Comprendre la corrosion des aciers inoxydables.

• Se familiariser avec la normalisation, les certificats et les normes de l’acier inoxydable.

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• Connaître les processus d'élaboration et de mise en œuvre de l’acier inoxydable.

• Reconnaître les dégradations courantes et leurs solutions.

• Apprendre les bonnes pratiques de conception.

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