UGI® 4545 AIR H1150 – Acier inoxydable 15-5PH qualité aérospatiale, condition H1150

Présentation générale

L'UGI® 15-5PH AIR (également désigné UGI® 4545 AIR) est un acier inoxydable martensitique à durcissement par précipitation (PH) de qualité premium, spécialement conçu pour les applications aérospatiales. Il est utilisé pour la fabrication de pièces nécessitant une combinaison optimale de haute résistance mécanique et de tenacité élevée, ainsi qu'une bonne résistance à la fatigue.

Ce matériau est élaboré par refusion électro-laitière (ESR - Electro-Slag Remelting) selon la norme AMS 5659 type 2, en utilisant les technologies les plus avancées. Ce procédé garantit une excellente homogénéité et isotropie de la structure, ainsi que des propriétés mécaniques élevées tant dans le sens longitudinal que transversal. L'acier est ferromagnétique.

Microstructure et propreté métallurgique

La microstructure observée en microscopie optique est composée de martensite homogène avec des précipités de carbonitrures de niobium (particules blanches visibles en MEB) et d'austénite résiduelle dont la fraction dépend de l'état métallurgique. La précipitation nanométrique de phase riche en cuivre est observable en microscopie électronique à transmission (MET).

L'UGI® 15-5PH AIR présente une fraction de ferrite delta inférieure à 1% (inférieure à l'UGI® 17-4PH AIR) selon l'AMS 2315, et une taille de grain d'austénite antérieure fine ou égale à 6.

Produit par ESR consommable, les inclusions résiduelles sont très fines et uniformément réparties. La micro-propreté suivante est garantie selon ASTM E45 méthode A :

• A, B, C, D (Fins) < 1,5
• A, B, C, D (Épais) < 1

Propriétés physiques et mécaniques

Propriétés générales

Propriété	Valeur
Densité	7,8 g/cm³

Propriétés mécaniques (condition H1150)

Propriété	Température	Valeur	Commentaire
Module d'élasticité	20 °C	200 GPa
	100 °C	195 GPa
	200 °C	185 GPa
	300 °C	170 GPa
	300 °C	175 GPa
Allongement à la rupture		16 %	min.
Dureté Brinell		277 HB	min.
Dureté Rockwell C		28 HRC	min.
Rétrécissement à la rupture		50 %	min.
Résistance à la traction (Rm)		930 MPa	min.

Propriétés thermiques

Propriété	Valeur	Commentaire
Coefficient de dilatation thermique	10,5 × 10⁻⁶ 1/K	20 à 100 °C
	11,1 × 10⁻⁶ 1/K	20 à 200 °C
	11,5 × 10⁻⁶ 1/K	20 à 300 °C
	11,9 × 10⁻⁶ 1/K	20 à 400 °C
Capacité thermique massique	500 J/(kg·K)
Conductivité thermique	16 W/(m·K)

Propriétés électriques

Propriété	Valeur
Résistivité électrique	7,1 × 10⁻⁷ Ω·m

Composition chimique (% en masse)

Élément	Teneur	Commentaire
Carbone (C)	0,07	max.
Chrome (Cr)	14,5 – 15,3
Cuivre (Cu)	2,5 – 4,0
Manganèse (Mn)	1,0	max.
Molybdène (Mo)	0,5	max.
Nickel (Ni)	4,5 – 5,5
Niobium (Nb)	0,45	max., min : 5×C
Phosphore (P)	0,025	max.
Silicium (Si)	0,60	max.
Soufre (S)	0,005	max.

Propriétés technologiques et mise en œuvre

Domaines d'application

• Aéronautique : qualité « Aircraft Quality » premium
• Fabrication de capteurs (ex. capteurs de pression)
• Médical (pièces annexes)
• Arbres, engrenages
• Raccords, fixations
• Pièces structurales

Résistance à la corrosion

L'UGI® 15-5PH AIR offre une bonne résistance à la corrosion, parfois comparable à celle des aciers austénitiques type 18 % Cr – 8 % Ni dans certains environnements.

Environnement	Comportement
Acide nitrique	Bon
Acide phosphorique	Utilisation restreinte
Acide sulfurique	Utilisation restreinte
Acide acétique	Moyen
Carbonate de sodium	Moyen
NaCl (brouillard salin)	Bon
Humidité	Excellent
Eau de mer	Utilisation restreinte
Huile / Gaz	Utilisation restreinte

Corrosion par piqûres : L'UGI® 15-5PH AIR est bien plus résistant que les aciers martensitiques classiques à 12 % Cr. Son potentiel de piqûre est comparable à celui du super-martensitique 1.4418 et de l'austénitique 1.4301 (AISI 304).

Corrosion intergranulaire : La faible teneur en carbone (partiellement piégée par le Nb) rend l'acier insensible à la corrosion intergranulaire après un traitement thermique approprié.

Autres mécanismes : Bonne résistance à la corrosion-fatigue et à la corrosion sous contrainte dans certains environnements et conditions définies. Résistance notable à la corrosion-érosion grâce à l'association de hautes propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion.

Usinabilité

En raison de sa faible teneur en soufre et de son excellente micro-propreté, l'UGI® 15-5PH AIR présente une mauvaise cassabilité du copeau, ce qui peut entraîner des difficultés lors de l'usinage, notamment en perçage et tournage de finition.

Il est recommandé d'effectuer la majorité des opérations d'usinage en état A (recuit de solution) pour limiter l'usure outillage. L'usinage après traitement de durcissement par précipitation est déconseillé : plus les caractéristiques mécaniques sont élevées, plus l'usure outil est importante.

En état A, des essais de tournage brut (ap = 1,5 mm ; f = 0,25 mm/tr) sur barres étirées ont montré une vitesse de coupe de ~145 m/min pour une usure de flanc de 0,15 mm en 15 min (outil STELLRAM SP4019 CCGT 09T308E-62), contre ~160 m/min pour l'UGIMA® 4542 (17-4 PH usinabilité améliorée). La productivité d'usinage de l'UGI® 15-5PH AIR est inférieure de 10 à 30 % selon l'opération.

Traitements thermiques

Les traitements thermiques comportent deux étapes :

1. Austénitisation (recuit de solution) : 1030–1050 °C, suivi d'une trempe à l'huile (ou air pour petites sections). En condition A, la dureté est intermédiaire (précipitation Cu non active). Cet état est choisi pour l'usinage ou le formage à froid. Un revenu de stabilisation à 300 °C / 1 h est recommandé après austénitisation pour éviter les risques de fissuration de trempe.
2. Vieillissement (précipitation) : Effectué après le recuit de solution pour faire précipiter les phases riches en Cu et ajuster les propriétés. Le matériau est alors en condition H (solutionné + vieilli). Les températures de vieillissement varient de 480 °C (H900) à 620 °C (H1150).

Condition H900 : Pic de durcissement, dureté maximale.
Au-delà de 580 °C : Formation d'austénite revenue → augmentation de la tenacité, baisse de la résistance.
Condition H1025 : Compromis optimal résistance/tenacité souvent choisi.
Cycle H1150M (adoucissement maxi) : Recuit de solution + revenu 760 °C/2h + vieillissement 620 °C/4h → Rm = 780 MPa, Rp0,2 = 710 MPa, HRC < 32.

Condition	Traitement thermique
Cond A	Recuit 1030/1050 °C
H900	Recuit 1030/1050 °C, refroidissement air/huile + durcissement 1 h à 480 °C / air
H925	Recuit 1030/1050 °C, refroidissement air/huile + durcissement 4 h à 495 °C / air
H1025	Recuit 1030/1050 °C / air ou huile + revenu 4 h à 550 °C, air
H1075	Recuit 1030/1050 °C / air ou huile + revenu 4 h à 580 °C, air
H1100	Recuit 1030/1050 °C / air ou huile + revenu 4 h à 590 °C, air
H1150	Recuit 1030/1050 °C / air ou huile + revenu 4 h à 620 °C, air

Formage à chaud

L'UGI® 15-5PH AIR est apte au forgeage. Réchauffage entre 1150 et 1200 °C, forgeage entre 1200 et 950 °C. Refroidissement après forgeage à l'air ou à l'huile. Les pièces forgées doivent subir un traitement thermique complet (recuit de solution + vieillissement éventuel).

Produits disponibles

Contrôle par magnétoscopie et macrostructure : conforme AMS 2300 (cotation 0/0) et AMS 5659 (classes 1 à 4, sévérité A selon ASTM A604).

Produit	Profil	Finition de surface	Tolérance	Dimensions (mm)
Barre	Rond	Tourné lisse	k12 – k13	22 – 115
		Ebarbé et poli	h11 – h10 – h9	22 – 115
		Rectifié sans centre	h9 – h8 – h7	5 – 115
		Étiré à froid	h9	5 – 21

Autres produits : nous consulter.

Traitements de surface

Décapage : Identique à la nuance 630 (17-4PH).

Décontamination (élimination particules ferreuses) :

• 1/4 volume acide nitrique 52 % (36° Baumé)
• 3/4 volume eau
• Température ambiante
• Durée adaptée
• Rinçage soigneux après traitement

Note : La résistance à la corrosion dépend de nombreux facteurs (composition de l'atmosphère corrosive, préparation de surface, etc.). Pour les essais brouillard salin (ISO 9227), éviter les étiquettes de marquage qui créent des coulures de corrosion.

Soudabilité

Soudable sans préchauffage par la plupart des procédés : GMAW, GTAW (avec ou sans métal d'apport), LASER, résistance, faisceau d'électrons.

• Propriétés mécaniques identiques au métal de base : Sans métal d'apport ou avec métal d'apport homogène (ex. AWS E/ER 630) + traitement de vieillissement post-soudage.
• Propriétés mécaniques inférieures acceptées : Métal d'apport type ER308LSi (19 9 L Si) possible.

Sans traitement de vieillissement post-soudage, un revenu de détente à 250/300 °C améliore la tenacité de la ZAT et évite les risques de fissuration à froid dus à la microstructure martensitique en l'état soudé. La conception des assemblages soudés doit tenir compte des fortes limites d'élasticité : éviter les entailles et changements brusques de section.

Gaz de protection recommandés : Ar + 1 % CO₂ ou 1–2 % O₂ pour GMAW. Éviter les gaz contenant H₂ et N₂ pour GMAW et GTAW.