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PROCEDE PERFECTIONNE DE FABRICATION DE PIECES EN ALLIAGES
RESISTANT A LA CHALEURo
La présente invention a trait aux procédés de fabrication de pièces mécaniques à partir d'alliages résistant à la chaleur, du type com- munément appelé "alliage au nickel-chrome" capables d'être durcis par un traitement thermique de précipitation et contenant un ou plusieurs éléments dits "éléments durcissants"o
Les alliages auxquels cette invention est applicable rentrent dans la définition suivante:
- Leur base (qui constitue 50 pour cent au moins de l'alliage) est composée soit de nickel, soit à la fois de nickel et de cobalt (le cobalt ne dépassant pas 40 pour cent de 1-'alliage); ils contiennent jusqu'à 45 pour cent de chrome et peuvent être durcis par un traitement thermique de précipitation étant donné qu'ils contiennent un ou plusieurs des éléments : molybdène, tungstène, fer, manganèse, aluminium, vanadium, titane, niobium, silicium et carbone; le carbone ne dépasse pas un pour cent; aucun des deux éléments titane et silicium ne dépasse cinq pour cent ; des autres éléments ne dépasse 25 % ; et le total de tous ces éléments ne dépasse pas 40 pour cent.
Ces alliages ne contiennent pas d'autres éléments que ceux mentionnés ci-dessus'et des impuretés mineures, mais ils peuvent contenir des quantités réduites d'azote, de magnésium, de cuivre, de calcium et d'éléments des terres rares (y compris le misch- métal), aucun de ces éléments n'étant présent à raison de plus d'un pour cent et leur total ne dépassant pas trois pour cent. Ces alliages seront appelés ci-après "alliages dé nickel-chrome du type décrit".
Il existe un certain nombre d'alliages bien connus des spécia- listes qui répondent à la définition générale ci-dessus et pour lesquels il a été adopté un traitement thermique, dit "de mise en solution" repli- sé à une température élevée comprise entre 1050 et 1200 C, ce traitement
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étant suivi d'un traitement thermique de durcissement par précipitation réalisé à une température inférieure (700 - 800 C0
Dans l'emploi des pièces fabriquées à partir de tels alliages à haute température, une propriété à rechercher dans la pièce finie est une résistance élevée à l'écoulement; et le traitement thermique de mise en solution et de durcissement par précipitation qui a été mentionné ci- dessus visait surtout à obtenir cette propriété recherchée.
Ainsi, une application typique des alliages réside dans la fabrication de certaines pièces de turbines à gaz à combustion interne qui sont soumises à des ef- forts- élevés à haute température ; la propriété de résistance à l'écou- lemént présente une importance primordiale dans ces applications-,
La Demanderesse a découvert que l'écrouissage, en particulier s'il a lieu entre le traitement thermique de mise en solution et le trai- tement thermique de durcissement par précipitation est très préjudiciable à l'obtention de la résistance à l'écoulement.
Ceci ressort de la comparaison indiquée dans le tableau A donné ci-dessous des résultats d'essais réalisés sur des échantillons d'un alliage caractéristique du type décrit, dont la composition est la suivante :
Chrome 20 %
Cobalt 20 %
Molybdène 6 %
Titane 2,5 %
Aluminium 1 %
Nickel le reste
TABLEAU A
EMI2.1
<tb> Condition <SEP> Traitement <SEP> Traitement <SEP> thermique
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<tb> de <SEP> l'essaio <SEP> thermique <SEP> de <SEP> de <SEP> durcissement <SEP> par
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<tb> 236 <SEP> 815 <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 20% <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 15 <SEP> - <SEP> 30
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-Le façonnage à froid dans le tableau ci-dessus est défini par le pourcentage de réduction en surface d'une section transversale moyenne.
La dureté des éprouvettes,déterminée par la méthode de la pointe de dia- mant, avant et après un façonnage à froid de 20 % a été respectivement de 270 et 480
Il est bien connu que les opérations dites"d'usinage" et, en particulier, le fraisage et le meulage, ont pour effet d'écrouir la surfa- ce de la pièce finie, par exemple, la Demanderesse a constaté que la du- reté superficielle d'une pièce de l'alliage typique peut, après usinage, atteindre 450 à 500, alors que la dureté du coeur de la pièce n'est que de 270 à 300.
C'est ainsi que des essais ont montré que l'effet de dureté de la couche superficielle s'étend sur une profondeur de 0,35-0,4 mm, ain- si qu'il résulte d'une observation aux rayons X de la déformation du réseau
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cristalline et jusqu9à une profondeur de 0,23 mm - 0,25 mm ainsi que le déterminent - quoique moins exactement - les essais de dureté à la poin- te de diamant.
L'équivalent de cette dureté superficielle peut être ob- tenu par un façonnage à froid correspondant à une réduction de section de 20 %o Ainsi, des pièces telles que des aubes de turbine, fabriquées normalement peuvent avoir une couche superficielle dont les propriétés d'écoulement sont grandement diminuées, ainsi qu'on le voit dans le ta- bleau A donné plus haut et, par suite, dans le cas d'aubes ayant un bord de fuite mince, l'effet peut s'étendre sur toute l'épaisseur de l'aube dans la région du bord de fuite.
Conformément à l'une des caractéristiques de la présente in- vention, la fabrication de pièces à partir d'alliages de nickel-chrome à haute température du type décrit, comprend les opérations suivantes, réa- lisées dans l'ordre indiqué : a) façonnage à chaud de l'alliage, tel que le forgeage ou l'estampage de l'alliage à des températures élevées; b) traitement thermique de mise en solution d'une durée de cinq à dix heures à 1050-1200 C; c) usinage de 1'alliage forgé aux dimensions finies, ce qui introduit un accroissement de la dureté superficielle par écrouissage; d) traitement thermique de courte durée (n'excédant par une heure) à 850-1050 C;
le) traitement ther- mique de durcissement par précipitation d'une durée de dix à vingt heures à 700-800 C
La Demanderesse a trouvé que par le chauffage par induction il est possible de réduire la durée de l'opération d) à celle qui suffit pour porter la surface à la température désirée, c'est-à-dire d'appliquer une durée abaissée à trente secondes. Avec,le chauffage au four, une pé- riode de dix minutes à une heure convient ;des périodes de plus d'une heure ne sont pas nécessaires et ne sont pas économiques.
Le traitement thermique de faible durée auquel on soumet la pièce finie (opération d) n'occasionne pas de déformation ou d'oxydation préjudiciable et supprime le durcissement superficiel nuisible qui résul- te de l'usinage.
Dans la demande de brevet français de même date que la présen- te et ayant pour titre "Perfectionnements aux procédés de fabrication de pièces en alliages résistant à la chaleur" on a décrit l'application d'un traitement thermique de mise en solution d'une durée de cinq à dix heures, à 1050-1200 C, pour améliorer les propriétés d'écoulement, accompagné d'un procédé d'affinage spécial pour éviter une texture à grains dans la pièce finie.
Ce traitement consiste à interrompre le façonnage à chaud de pré- férence lorsqu'une proportion de 75 à 95 % de ce façonnage à chaud (mesu- ré par la réduction de la section transversale moyenne) a été effectuée, à réaliser alors le traitement thermique de mise en solution, suivi d'un procédé d'affinage comprenant le reste du façonnage à chaud, et un traite- ment thermique d'affinage d'une durée de cinq minutes à une heure à 85010590 C
Il peut être avantageux d'inclure dans le procédé qui fait l'objet de la présente invention celui faisant l'objet de la demande de brevet connexe précitée, en particulier si une température de plus de 1100 C est appliquée pour le traitement de mise en solution.
Ainsi, on interrompt le façonnage à chaud (opération a) mentionné plus haut et on achève cette opération ultérieurement après le traitement d'une mise en solution (opération b). Il est alors possible soit d'effectuer l'usinage (opération c), auquel cas le traitement thermique de faible durée (opéra- tion d) effectuera aussi l'affinage thermique du grain faisant l'objet de la demande de brevet connexe précitée. A titre de variante, le façonnage
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à chaud peut être terminé après l'opération b), l'affinage thermique du grain étant appliqué avant l'usinage (opération c), lorsque le traitement thermique ultérieur de faible durée (opération d) est distinct du traite- ment thermique d'affinage du grain.
Dans le cas précédent dans lequel un traitement thermique de faible durée succédant à l'usinage joue à la fois le rôle d'affiner le grain et d'éliminer la durée superficielle, le traitement doit se pour- suivre pendant au moins cinq minutes.
L'invention est applicable aux pièces fabriquées à partir des alliages du type décrit, et une application particulière concerne les alliages contenant du molybdène,de l'aluminium et du titane en combinai- son à titre d'éléments durcissants, de préférence comme décrit dans la demande de brevet belge No 489, 322 déposée le 30 mai 1949 au nom de la Demanderesse et, entre autres, l'alliage suivant :
Alliage à base de nickel cobalt chrome obtenu à l'aide des éléments suivants dans les proportions indiquées ci-dessous :
Cobalt plus de 10 mais au plus 40 pour cent.
Chrome 10 à 30 pour cent
Molybdène 2 à 18 pour cent
Aluminium 0,2 à 8,6 pour cent
Titane 0,2 à 4,4 pour cent
Nickel sensiblement le reste la composition de cet alliage étant par ailleurs telle que le chiffre qu'on obtient en ajoutant au pourcentage de molybdène deux fois celui de l'alu- minium et quatre fois celui du titane soit toujours compris entre 16 et 20.
De tels alliages sont appelés ci-après "alliages de nickel- chrome à facteur d'équilibre".
Ces alliages de nickel-chrome à facteur d'équilibre compren- nent l'alliage typique précédemment mentionné. Un traitement thermique de faible durée préféré pour ces alliages consiste en un traitement de moins d'une heure à 950-1050 C.
Le tableau B ci-dessous illustre l'invention par les résul- tats des essais auxquels on a soumis des échantillons de cet alliage ty- pique en appliquant un traitement thermique de faible durée tel que ce- lui préféré qui vient d'être spécifié.
TABLEAU B .
EMI4.1
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Condi- <SEP> Traite- <SEP> Façon- <SEP> Traite- <SEP> Traite- <SEP> Heures
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EMI5.1
<tb> Es <SEP> Charge
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<tb> D <SEP> 236 <SEP> 815 <SEP> 6 <SEP> 1150 <SEP> 20 <SEP> % <SEP> 0,
5 <SEP> 1050 <SEP> 16 <SEP> 700 <SEP> 121
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L'importance de l'adoption du traitement thermique de faible durée conformément à l'invention est mise en évidence par la comparaison exprimée dans le tableau ci-dessus.
Ainsi, dans l'essai A, l'échantillon possède une durée d'écou- lement élevée, mais n'a pas été soumis à un façonnage à froid. Si, comme c'est le cas dans l'essai B, un façonnage à froid a été appliquée la du- rée de l'écoulement est sensiblement réduite. Dans les essais C'et D, la durée élevée de l'écoulement est rétablie si l'opération de façonnage à froid est suivie du traitement thermique de faible durée, ce dernier étant choisi selon la température.
Un autre alliage typique auquel l'invention est applicable a la composition suivante :
Chrome 18 à 22 %
Titane 2,2 à 2,8 %
Aluminium environ 0,5 %
Nickel sensiblement le reste.
Dans ce cas, le traitement thermique de faible durée peut être réalisé à une température abaissée jusqu'à 850 C.
Comme l'a mis en évidence le tableau B ci-dessus, la résistan- ce d'écoulement de l'alliage typique subit une forte diminution lorsqu'une barre de cet alliage est travaillée à froid. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, l'usinage d'une aube de turbine, par exemple, introduit une couche superficielle travaillée à froid. Par suite, il est évident que, comme résultat de la fabrication normale, la couche superficielle des au- bes de turbine aura une résistance d'écoulement grandement diminuée. Cet- te réduction de la résistance d'écoulement de la couche superficielle écrouie peut provoquer la formation de criques superficielles.
En général, ces criques superficielles ne se propagent pas à un degré tel qu'elles risquent d'occasionner une rupture sous l'influence d'une charge de trac- tion, mais la Demanderesse a constaté qu'elles peuvent, dans le cas d'une charge localisée, provoquer une rupture sous l'influence d'efforts répétés.
La Demanderesse a découvert que l'application d'un traitement thermique de courte durée après l'usinage final supprime l'écrouissage de la surface, ainsi que le met en évidence le tableau C ci-dessous.
TABLEAU C.
EMI5.2
<tb>
Etat <SEP> de <SEP> l'aube <SEP> de <SEP> turbine <SEP> Dureté <SEP> superficielle <SEP> Dureté <SEP> à <SEP> coeur.
<tb>
<tb>
Usinage <SEP> normal <SEP> 466 <SEP> 260
<tb>
<tb> Usinage <SEP> normal <SEP> plus <SEP> 1 <SEP> heure <SEP> à <SEP> 950 C <SEP> 340 <SEP> 280:
<tb>
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EMI6.1
<tb> Etat <SEP> de <SEP> l'aube <SEP> de <SEP> turbine <SEP> Dureté <SEP> superficielle <SEP> Durete <SEP> à <SEP> coeur,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Usinage <SEP> normal <SEP> plus
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<tb> 15 <SEP> minutes <SEP> à <SEP> 1000 C <SEP> 280 <SEP> 280
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