FR3125301A1

FR3125301A1 - Procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel

Info

Publication number: FR3125301A1
Application number: FR2107632A
Authority: FR
Inventors: Maxime Eric VINCENT; Laurent Ferrer
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2041-07-15
Also published as: WO2023285756A1; CN117795119A; FR3125301B1; EP4370723A1; US20240384383A1

Abstract

Procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel, comprenant : une étape de fourniture d’un lingot (10) d’un alliage base nickel comprenant au moins une phase intermétallique, une première étape de forgeage (E1) du lingot (10) au cours de laquelle la vitesse rationnelle de déformation est inférieur à 1 s-1, une deuxième étape de forgeage (E2) du lingot (10) au cours de laquelle la vitesse rationnelle de déformation est supérieure à 1 s-1, et une étape de recristallisation statique (E3), après la deuxième étape de forgeage (E2), au cours de laquelle le lingot (19) est exposé à une température comprise entre 1 000 et 1 055 °C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures. Fig. 3.

Description

Procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel

Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel, tout particulièrement dans le domaine aéronautique. Un tel procédé permet d’obtenir de meilleures propriétés en traction et en fatigue.

Dans le domaine aéronautique, les pièces les plus sollicitées mécaniquement et nécessitant un dimensionnement en traction et en fatigue, comme c’est le cas des disques de turbine par exemple, sont généralement réalisées en alliage base nickel à durcissement intermétallique, c’est-à-dire en alliage base nickel comprenant au moins une phase intermétallique durcissante telle que Ni₃Al ou Ni₃Ti par exemple.

En général, ces matériaux sont élaborés par refusion avant d’être forgés afin d’obtenir des billettes ou d’autres demi-produits tels que des barres. Ce forgeage comporte classiquement une première étape de forge à de faibles vitesses de déformation, à l’aide d’une presse hydraulique par exemple, puis une deuxième étape de forge à des vitesses de déformation plus importantes, à l’aide de machines à marteaux par exemple.

Toutefois, à l’issue d’une telle gamme de fabrication, on constate dans certains cas une recristallisation ou une restauration incomplète ou inhomogène entre le cœur et la périphérie de la billette. Les figures 1 et 2 illustrent une telle microstructure imparfaite : on constate en effet la présence de grains allongés non recristallisés dont la longueur peut dépasser 1 mm.

Ces hétérogénéités conduisent à des propriétés mécaniques détériorées. En particulier, des essais en traction et en fatigue sur des éprouvettes de test de ces matériaux révèlent une dispersion importante des résultats, les zones non totalement recristallisées étant responsables des valeurs minimales mesurées lors de ces tests. De plus, la mauvaise recristallisation a un impact sur le contrôle non destructif des pièces et notamment sur le niveau de bruit de fond lors du contrôle ultrason des pièces. Ainsi, des bruits de fond ultrason dépassant les seuils pertinents empêchent la détection des défauts dans la pièce.

Il existe donc un réel besoin pour un procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents à la méthode connue précitée.

Le présent exposé concerne un procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel, comprenant :
une étape de fourniture d’un lingot d’un alliage base nickel comprenant au moins une phase intermétallique,
une première étape de forgeage du lingot au cours de laquelle la vitesse rationnelle de déformation est inférieur à 1 s-1,
une deuxième étape de forgeage du lingot au cours de laquelle la vitesse rationnelle de déformation est supérieure à 1 s-1,
une étape de recristallisation statique, après la deuxième étape de forgeage, au cours de laquelle le lingot est exposé à une température comprise entre 1 000 et 1 055 °C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures.

Grâce à cette étape de recristallisation statique, réalisée dans ces conditions particulières de température et de durée, il est possible de finaliser la recristallisation de l’ensemble du produit obtenu, y compris en son cœur. En effet, on se place ici à une température supérieure à la température de début de recristallisation statique et à une température inférieure au solvus de la phase intermétallique.

On constate alors que cette étape de recristallisation statique permet d’obtenir des résultats de tests présentant des moyennes plus hautes et des dispersions plus faibles. Ce procédé de fabrication aboutit donc à des produits en alliage base nickel bénéficiant de meilleures propriétés en traction et en fatigue. De plus, on réduit le bruit de fond aux ultrasons, ce qui permet alors de détecter les échos de plus faible amplitudes.

Dans certains modes de réalisation, ladite au moins une phase intermétallique est une phase γ’ associant le nickel à l’aluminium et/ou au titane.

Dans certains modes de réalisation, ladite au moins une phase intermétallique est présente dans l’alliage du lingot à hauteur de 30% à 50% en masse, de préférence à hauteur de 35% à 45% en masse. En particulier, il peut s’agit d’une phase γ’ présente à hauteur de 40% en masse dans le lingot.

Dans certains modes de réalisation, avant l’étape de fourniture, le lingot a subi une étape de refusion sous vide.

Dans certains modes de réalisation, l’étape de refusion sous vide comprend au moins une étape de refusion à l'arc sous vide (vacuum arc remelting VAR en anglais).

Dans certains modes de réalisation, l’étape de refusion sous vide comprend, dans cet ordre, une étape de fusion sous vide avec chauffage par induction (vacuum induction melting VIM en anglais), une étape de refusion sous laitier électroconducteur (electro slag remelting ESR en anglais) et une étape de refusion à l'arc sous vide (vacuum arc remelting VAR en anglais).

Dans certains modes de réalisation, le produit obtenu est un demi-produit, de préférence une billette ou une barre, par exemple cylindrique.

Dans certains modes de réalisation, la première étape de forgeage est réalisée à l’aide d’une presse hydraulique.

Dans certains modes de réalisation, la première étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 1 050 et 1 150 °C. On se place ainsi au-dessus du solvus de la phase intermétallique de sorte que les joints de grain peuvent se déplacer. Par ailleurs, la température est suffisamment faible pour ne pas entrainer la surchauffe et la détérioration des joints de grain.

Dans certains modes de réalisation, la première étape de forgeage conduit à une déformation du lingot supérieure à 1. Cette déformation ε est mesurée par rapport au début de cette première étape de forgeage.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième étape de forgeage est réalisée à l’aide d’un laminoir et/ou d’un ou plusieurs marteaux ou pilons. En particulier, une machine à forger à 4 marteaux peut être utilisée.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 900 et 1 055 °C. On se place ainsi à une température suffisante pour permettre le forgeage sans toutefois dépasser le solvus de la phase intermétallique.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième étape de forgeage conduit à une déformation du lingot supérieure à 0,2, de préférence supérieure à 0,5. Cette déformation ε est mesurée par rapport au début de cette deuxième étape de forgeage.

Dans certains modes de réalisation, l’étape de recristallisation est réalisée à une température comprise entre 1 000°C et 1 025°C, de préférence entre 1 000 et 1 010 °C, et pendant une durée comprise entre 1 h et 10 h, de préférence entre 4 h et 6 h. En particulier, elle peut être réalisée à 1000°C durant 5h.

Dans certains modes de réalisation, l’étape de recristallisation est réalisée à une température comprise entre 1 025°C et 1 055°C, de préférence entre 1 045 et 1 055 °C, et pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2 heures, de préférence entre 50 minutes et 70 minutes. En particulier, elle peut être réalisée à 1052°C durant 1h.

Dans certains modes de réalisation, l’étape de recristallisation est suivie par une étape de refroidissement à l’air.

Dans le présent exposé, un alliage base nickel est un alliage dont le nickel est l’élément présentant la fraction massique majoritaire, de préférence supérieure à 40%.

Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.

Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.

Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.

La est une première micrographie d’une billette selon l’état de la technique.

La est une deuxième micrographie d’une billette selon l’état de la technique.

La est un ordinogramme représentant les différentes étapes d’un exemple de procédé de fabrication selon le présent exposé.

La est une première micrographie d’une billette fabriquée par ce procédé.

La est une deuxième micrographie d’une billette fabriquée par ce procédé.

La est un graphe représentant des résultats de tests comparatifs de fatigue.

Claims

Procédé de fabrication d’un produit en alliage base nickel, comprenant :
une étape de fourniture d’un lingot (10) d’un alliage base nickel comprenant au moins une phase intermétallique,
une première étape de forgeage (E1) du lingot (10) au cours de laquelle la vitesse rationnelle de déformation est inférieur à 1 s^-1,
une deuxième étape de forgeage (E2) du lingot (10) au cours de laquelle la vitesse rationnelle de déformation est supérieure à 1 s^-1, et
une étape de recristallisation statique (E3), après la deuxième étape de forgeage (E2), au cours de laquelle le lingot (19) est exposé à une température comprise entre 1 000 et 1 055 °C pendant une durée comprise entre 30 minutes et 10 heures.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une phase intermétallique est une phase γ’ associant le nickel à l’aluminium et/ou au titane.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moins une phase intermétallique est présente dans l’alliage du lingot (10) à hauteur de 30% à 50% en masse, de préférence à hauteur de 35% à 45% en masse.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel, avant l’étape de fourniture, le lingot (10) a subi une étape de refusion sous vide.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première étape de forgeage (E1) est réalisée à une température comprise entre 1 050 et 1 150 °C.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la première étape de forgeage (E1) conduit à une déformation du lingot (10) supérieure à 1.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la deuxième étape de forgeage (E2) est réalisée à une température comprise entre 900 et 1 055 °C.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la deuxième étape de forgeage (E2) conduit à une déformation du lingot (10) supérieure à 0,2, de préférence supérieure à 0,5.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape de recristallisation (E3) est réalisée à une température comprise entre 1 000°C et 1 025°C, de préférence entre 1 000 et 1 010 °C, et pendant une durée comprise entre 1 h et 10 h, de préférence entre 4 h et 6 h.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape de recristallisation (E3) est réalisée à une température comprise entre 1 025°C et 1 055°C, de préférence entre 1 045 et 1 055 °C, et pendant une durée comprise entre 30 minutes et 2 heures, de préférence entre 50 minutes et 70 minutes.