Brevet FR2069985A1 — publié le 19710910

l'Invention est relative aux matériaux matalliques à base d'acier martensitique, c'est-à-dire à des matériaux métalliques constitués en majeure partie en -un acier de structure martensitique, l'expression "matériau métallique" étant prise ici dans un sens 5 très général et englobant aussi bien des produits semi-ouvrés (tôle par exemple) que des produits plus évolués ayant atteint leur forme définitive au point de vue industriel (barres ou tubes par exemple). l'invention concerne également des procédés pour l'élaboration de tels matériaux métalliques à base d'acier martensitique. 10 Avant d'aborder la caractéristique principale de l'invention et pour permettre de mieux apprécier l'originalité et l'intérêt de cette caractéristique, il paraît opportun de rappeler brièvement certaines notions, bien connues des métallurgistes, relatives aux aciers à structure martensitique et aux aciers inoxydables à struc-15 ture austénitique. les aciers à structure martensitique, notamment les aciers "maraging" (contenant généralement du nickel, du cobalt et du molybdène, mais pas de chrome), présentent des caractéristiques mécaniques élevées (charge de rupture pouvant atteindre 230 hectobars), 20 mais, par contre, ils sont sujets à des phénomènes de corrosion par des agents extérieurs et, notamment, au phénomène néfaste de fragilisation par l'hydrogène. Au contraire, les aciers inoxydables au chrome-nickel, voire les matériaux à base nickel, présentent, en phase austénitique, une 25 excellente résistance à la corrosion mais des caractéristiques bien moindres, au point de vue mécanique, que les aciers de structure martensitique-» On conçoit, dans ces conditions, l'intérêt qu'il y aurait à disposer d'un matériau métallique conciliant les qualités (rappe-30 lées ci-dessus) des aciers martensitiques et des aciers inoxydables (ou matériaux à base nickel) et présentant une bonne résistance aux phénomènes néfastes de fragilisation par l'hydrogène. l'invention a précisément pour but de procurer un matériau présentant ces qualités, ainsi qu'un procédé pour l'élaboration 35 d'un tel matériau. Bile constitue un développement pratique et industriel de travaux de recherche fondamentale qui ont révélé qu'un matériau constitué en un acier de structure martensitique (acier maraging notamment) pouvait, tout en conservant ses excellentes qualités mécani-40 ques, être protégé*efficacement,. contre la corrosion et les risques BAD ORIGINAL 69 44094 2 2069985 de fragilisation par l'hydrogène, par un revêtement superficiel constitué par une couche de structure austénitique obtenue par diffusion de chrome, ladite couche jouant le rôle de barrière de diffusion vis-à-vis de l'agent hydrogéné agressif en provenance de 5 l'extérieur. Pour la commodité de l'exposé, on désignera ci-après une telle couche protectrice de structure austénitique par l'expression "couche austénitique", qu'il s'agisse d'un acier inoxydable (notamment au chrome-nickel) ou d'un matériau à base nickel, voire de nickel 10 pur. Le matériau métallique selon l'invention est un matériau ferreux massif constitué par une alternance régulière de couches relativement épaisses de structure martensitique et de couches plus minces de structure austénitique, l'épaisseur d'une couche marten-15 sitiaue quelconque étant de préférence égale au moins à cinq fois (et de préférence encore, dix fois environ) l'épaisseur moyenne des couches austénitiques adjacentes situées respectivement de part et d'autre de la couche martensitique considérée, le matériau métallique massif ainsi constitué présentant, grâce à sa structure 20 stratifiée mixte austéno-martensitique à prédominance massique de martensite, d'une part, des propriétés mécaniques élevées (charge de rupture supérieure à 150 hectobars) dues à la prédominance de la phase martensitique durcissable par précipitation intermétallique, d'autre part, une excellente résistance à la corrosion et notamment 25 à la fragilisation par 1'hydrogène, cette résistance à coeur du matériau résultant de la présence des barrières de diffusion successives constituées par les couches austénitiques, et, d'autre part enfin, les qualités inhérentes aux matériaux stratifiés à couches rigides (couches martensitiques) séparées par des couches ductiles 30 (couches austénitiques dont la ductilité est approximativement cinq fois supérieure à celle des couches martensitiques). Les couches martensitiques peuvent présenter toutes une même épaisseur et les couches austénitiques également une même épaisseur (moindre que la précédente). 35 Mais on-pourrait également envisager d'attribuer des épaisseurs différentes à certaines au moins des couches martensitiques et/ou à certaines au moins des couches austénitiques, sous réserve seulement de réserver la prépondérance aux couches martensitique s <> C'est ainsi, par exemple, que l'on aura intérêt à augmenter 40 l'importance des couches austénitiques, jouant le rôle de barrières bad original 69 44094 3 2069985 de diffusion, du côté de la face la plus exposée de l'élément élaboré si ledit élément présente effectivement une face plus exposée que l'autre aux'agents agressifs. De toute façon, dans la plupart des cas, il conviendra d'attribuer à chaque couche martensitique, comme déjà indiqué, une épaisseur égale à au moins cinq fois, et de préférence de l'ordre de dix fois, l'épaisseur moyenne des deux couches austénitiques situées de part et d'autre de la couche martensitique considérée. Quant au procédé selon l'invention, il consiste, en vue d'obtenir le matériau métallique à couches martensitiques et couches austénitiques alternées dont il vient d'être question, à élaborer d'abord, en une première opération conduite à une température comprise entre 850 et 1000°0 et de préférence de l'ordre de 900 à 950°C, un matériau à couches alternées de structure austénitique et de structure martensitique non durcie, ces dernières couches étant prépondérantes au point de vue massique, et à faire subir ensuite, au matériau résultant ae cette pre- > miere opération, un traitement thermique de durcissement aes couches martensitiques, ce traitement de durcissement étant de préférence du genre des procédés de durcissement classiques des aciers maraging (par-exemple un traitement de trois heures à 430 °Cj. L'invention pourra, de toute façon, Stre mieux comprise encore à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin sent donnés à titre de modes d'application et de modes de réalisation préférentiels, sans aucun caractère limitatif» La fig. '1 représente, en coupe avec parties enlevées et avec un fort grossissement, une tôle composite stratifiée conforme à 1'invention. Les fig. 2 et 3 montrent, dans les mêmes conditions que la fig. 1, un barreau et un tube composites stratifiés conformes à l'invention. La tôle composite illustrée fig. 1 est formée de couches alternées de martensite il et d'austsuite A. ïoutes les couches A ont une même épaisseur L et toutes les couches une même épaisseur e_ au moins cinq fois plus faible que E et, de préférence, de l'ordre du dixième de 3. On peut alors, avantageusement, adopter, pour E, une valeur comprise entre 1000 et 50 microns, par exemple -le l'ordre de 200 nierons, BÂP ORIQINAi/ 69 44094 4 2069985 et, pour e, une valeur comprise entre 100 et 10 microns, par exemple de l'ordre de 20 microns» Au point de vue opératoire, on pourra, pour élaborer une telle tôle composite, 5 souder bord à bord, par exemple dans un four à bombardement électronique (sous vide), les éléments constitutifs d'un empilement alterné de feuilles minces d'acier inoxydable au nickel (voire de feuilles minces de nickel) et de tôles plus épaisses d'acier maraging, 10 procéder ensuite, à une température de 900 à 950°C, à un cola- minage de l'ébauche stratifiée ainsi réalisée, de façon à obtenir un ancrage des susdites feuilles et tôles par leurs faces en contact, au cours du colaminage à chaud, le rapport des épaisseurs des deux types de couches restant constant,. 15 faire subir à la tôle composite ainsi obtenue un traitement de durcissement des couches martensitiques, par exemple par chauffage pendant trois heures à 480°C. Suivant une variante, une tôle composite conforme à l'invention peut être obtenue à partir d'un simple empilement de tôles 20 d'acier maraging préalablement nickelées sur leurs deux faces. De toute façon, les faces externes de la tôle sont de préférence formées par des couches austénitiques, c'est-à-dire par les couches les plus aptes à résister à la corrosion. La fig. 2 représente -un barreau ou tige formé de couches coaxia-25 les de martensite M et d'austénite A alternées, la martensite étant prédominante au point de vue massique et les épaisseurs respectives B et e des couches M et A pouvant avantageusement satisfaire aux critères dimensionnels exposés précédemment, sous 'une forme générale, à propos des susdites épaisseui"s. 30 Un tel barreau pourra être utilisé pour l'armature de -béton et, quelle que soit son application, on aura intérêt à lui faire comporter une couche externe austénitique A1 afin de le protéger au mieux contre la corrosion par des agents environnants. La fig. 3, enfin, représente un tube formé de couches coaxia- ' 35 les de martensite H et d'austénite A alternées, les épaisseurs respectives E et e desdites couches pouvant, cette fois encore, satisfaire aux susdits critères dimensionnels. Un tel tube peut convenir pour canaliser des gaz ou liquides agressifs sous pression et il y aura alors intérêt à lui faire com-40 porter une paroi interne Ao de structure austénitique, sa paroi ex BAD ORIGINAL 69 44094 5 2069985 terne A1 pouvant également être austénitique, notamment s'il y a risque d'agression depuis l'extérieur. D'une façon générale, les domaines d'application d'éléments composites conformes à l'invention sont multiples et on peut citer, 5 notamment, les domaines des techniques aérospatiales et des génies chimique et nucléaire0 69 44094 6 2069985 ' . EE1/3 INDICATIONS 1 - Matériau métallique ferreux massif à base d'acier martensitique, caractérisé par le fait qu'il est constitué par une alternance régulière de couches relativement épaisses M de structure 5 martensitique et de couches plus minces A de structure austénitique. 2 - Matériau métallique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur d'une couche martensitique quelconque étant de préférence égale au moins à cinq fois (et de préférence encore, dix fois environ) l'épaisseur moyenne des couches austéniti- 10 ques adjacentes situées respectivement de part et d'autre de la couche martensitique considérée. 3 - Matériau métallique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que les couches martensitiques présentent toutes une même épaisseur et les couches austéniti- 15 ques également une même épaisseur (moindre que la précédente)., 4 - Matériau métallique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que des couches d'un même type (martensitique ou austénitique) présentent des épaisseurs différentes, la prépondérance massique demeurant aux couches martensiti- 20 ques. 5 - Matériau métallique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que ce matériau est une tôle à couches parallèles. 6 - Matériau métallique selon l'une quelconque des revendica- 25 tions 1 à 4, caractérisé par le fait que ce matériau est un barreau à couches coaxiales. 7 - Matériau métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ce matériau est un tube à couches coaxiales. 30 8 - Matériau métallique selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé par le fait que l'épaisseur E des couches martensitiques M est comprise entre 1000 et 50 microns et l'épaisseur e des couches austénitiques A comprise entre 100 et 10 microns. 35 9 - Procédé pour l'élaboration d'un matériau métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, consistant à élaborer d'abord, en une première opération conduite à une température comprise entre 850 et 1000°C et de préférence de l'ordre de 900 à 950°C, un matériau à couches alternées de structure austénitique et 40 de structure martensitique non durcie, ces dernières couches étant BAD ORIGINAL 2069985 prépondérantes au point de vue massique, et à faire subir ensuite, au matériau résultant de cette première opération, un traitement thermique de durcissement des couches martensitiques, ce traitement de durcissement étant de préférence du genre des procédés de durcissement classiques des aciers maraging. 69 44094 bad original!