Brevet FR2414975A1 — publié le 19790817

L'invention est relative aux procédés de liaison par brasage diffusion de pièces en ac et inoxydable ou superalliage et aux matériaux d'interface utilisés dans ces procédés de liaison destinés à constituer un assemblage. Par superalliage, on entend tous matériaux présentant de très grandes résistances même à hautes températures et dont la casactéristique typique est la base formée d'une solution solide Ni-Cr 3U Co-Cr, avec des additions d'Al, Ti et/ou de métaux réfractaires pour renforcer la solution et de C, B, Zr pour favoriser la ductilité en rupture de fluage. Le terme "matériau d'interface" vise le métal d'apport disposé entre les surfaces à assembler. Il constitue une couche interposée entre les faces venant en contact des pièces à assembler et se présente notamment sous la forme d'un dépôt, d'un feuillard, ou encore sous la forme d'une combinaison dépôt-feuillard. Le soudage par diffusion à l'état solide sous forte pression et à chaud constitue une solution a priori séduisante pour la réalisation de pièces de cotes précises et de résistance mécanique élevée à chaud utilisées dans des moteurs d'aéronefs. La pression appliquée provoque notamment un contact intime des surfaces nécessaire à la diffusion des constituants des couches superficielles en présence. Autrement dit, aucun essai ou examen physique, physicochimique, ou mécanique ne devrait permettre, si les pièces assemblées ont une cdnstitution et une microstructure identiques, de distinguer l'in terface des autres régions de l'assemblage. Malheureusement, en plus des difficultés liées à la réalisation d'états de surface assurant un contact surface à surface parfait pour permettre au phénomène de transport à l'état solide de se réaliser uniformément à travers le joint, la montée en température précédant l'opération de soudage provoque la migration de certains constituants vers les couches superficielles des pièces où ils forment des ségrégations qui peuvent gener et meme interdire la diffusion. Le phénomène de formation d'une barrière de diffusion est particulièrement flagrant dans les superalliages contenant, outre une teneur non négligeable en carbone, une teneur relativement élevée en titane ( par exemple plus de 0,5 % ).On constate après soudage par diffusion, d'une part, la présence dans l'interface d'un liseré quasi continu formé par une ségrégation de composés de titane comprenant surtout du carbure ou du carbonitrure de titane et, d'autre part, l'absence de recristallisation. Les essais mécaniques confirment que la liaison ainsi réalisée est défectueuse. Des palliatifs ont déjà été proposés en associant la technologie du brasage, moins sensible à la précision de contact des surfaces à assembler, à celle du soudage par diffusion, dans des procédés dénommés "brasage-diffusion". Dans une première catégorie de procédés de brasage-diffusion on insère, entre les deux pièces à assembler, une couche mince ( de préférence pulvérulente et liée par un agglomérant organique pyrolysable ) d'un alliage ayant les mêmes composants de base que le superalliage des pièces mais comportant des additions ( fondants ) telles que la température de liquides dudit alliage est inférieure à la température du début de fusion du superalliage. Le chauffage provoque d'abord la fusion de cette couche et sa liaison avec les couches superficielles de contact des pièces, ensuite l'abaissement de la teneur locale du ou desdits fondants par migration dans les régions avoisinantes des pièces. Dans une deuxième catégorie de procédés connus - qui peuvent utre utilisés en combinaison avec les premiers - on forme préalablement entre les deux pièces ( soit par insertion d'un feuillard, soit par un dépôt ) une couche intermédiaire du ou des métaux de base du superalliage dont la composition est telle qu'il n'y existe pas d'éléments générateurs de durcissement structural ( tel que Ti, Al ). La liaison s'effectue par interdiffusion entre le feuillard et les régions superficielles des pièces ou par interdiffusion des couches plaquées. Il faut ensuite procéder à un traitement thermique d'homogénéisation. L'objet de l'invention est un procédé de liaison, de pièces en acier inoxydable ou superalliage, par brasage-diffusion avec un métal d'apport, utilisé comme matériau d'interface, de nature et de fonction différentes de celles des palliatifs rappelés ci-dessus. Dans le procédé selon l'invention, on utilise d'une part un matériau d'interface peu comateux, de mise en oeuvre aisée, et d'autre part les avantages du soudage par diffusion à l'état solide au quel le procédé apporte un assouplissement de mise en oeuvre en particulier en ce qui concerne les états de surface. Le procédé conforme à l'invention pour la solidarisation des pièces en acier inoxydable ou en superalliage consiste à dis poser entre les faces des pièces venant en contact une couche d'un matériau d'interface choisi dans un groupe comprenant l'étain, l'indium, l'antimoine, le gallium, le germanium, ou formée d'une combinaison de ces éléments à soumettre ltensemble àà un traitement thermique, en atmosphère contrôlée, à une température supérieure à 9000 C mais dans tous les cas inférieure à la température de solidus des pièces à assembler. Dans le cas où les pièces ne sont pas de même nature, on se limitera à la température de solidus la plus basse.Le traitement est mené pendant un temps suffisant pour permettre la migration du matériau d'interface et la formation de composés, où de solutions, assurant le brasage diffusion des pinces à solidariser. Les pièces sont soumises à une pression modérée de façonàmaintenir leur position relative et à favoriser la diffusion sans entraîner de déformations pendant au moins une partie du traitement. L'invention résulte en partie de l'observation des diagrammes, d'équilibre concernant des couples de matériaux dont l'un est le métal de base des pièces ou de l'une des pièces assembler, l'outre étant le matériau d'interface utilisé dans le procédé selon l'invention. On remarque, en effet, que pour certains couples de maté riaux et à une certaine température de traitement compatible avec le métal de base, on a en présence, d'une part, une solution solide et, d'autre part, un liquide riche en métal de base. Au fur et à mesure de la montée en température, jusqu'à la température de traitement, on observe la formation successive d'une phase riche en matériau d'interface, puis d'une phase moins riche, tandis que le liquide ( partiellement chassé par la con traite appliquée sur les pièces ) s'enrichit en métal de base. Le liquide disparait progressivement par l'effet de la diffusion et la concentration en matériau d'interface de la solution solide du métal de base diminue au fur et à mesure qu'il se disperse dans la base. Le matériau d'interface utilisé dans le procédé selon l'invention est choisi dans un groupe ou bien combine des éléments choisis dans un groupe de matériaux qui sont généralement considérés comme des poisons car ils dégradent la ductilité à température élevée notamment par formation d'une phase liquide intergranulaire. Cette dégradation peut être évitée, selon l'application envisagée, par un dosage précis de la quantité du matériau d'interface utilisé, par un choix judicieux du traitement thermique et de la contrainte mécanique appliquée aux pièces. Les exigences pour le choix du matériau utilisé dans le procédé sont liées au fait que ce matériau forme des alliages liquides avec le métal de base assurant le brasage durant la première étape du procédé ; la diffusion dans la seconde étape voit un écoulement des alliages liquides formés ainsi qu'une diffusion intermétallique aboutissant à la formation d'une soudure à l'état solide. Plusieurs critères ont été définis pour le choix du matériau d'interface, pour la conduite du traitement thermique et la valeur de la contrainte mécanique. Tout d'abord le matériau d'interface ; il doit être tel - qu'avant la température d'assemblage, on ait au moins une phase liquide, de préférence avec l'élément principal du métal de base - que ses pressions de vapeur soient suffisamment faibles pour pouvoir supporter un chauffage au four sous atmosphère con tôlée - qu'on puisse l'appliquer en couches minces entre les surfaces ou sur le métal de base, soit par électrodéposition, dépôt chi mique, feuillard, poudre, pulvérisation cathodique, évaporation sous vide, ... etc. Les matériaux tels que l'étain, l'indium, l'antimoine, le gallium, le germanium, répondent à ces trois conditions et sont donc utilisables dans le procédé selon l'invention, soit à l'état pur, soit en combinaison. Les calculs effectués en application des lois de la diffusion et en considération des diagrammes d'équilibre thermodynamique ont montré que les temps de solidification isotherme, dans un métal de base Ni ou Co, sont plus courts en utilisant les éléments-tels que l'étain, l'indium, l'antimoine, le gallium, le germanium, par rapport à ceux nécessaires pour des éléments plus classiques tels que le bore. Par exemple, un joint liquide de 10 microns sera entièrement solidifié en un temps de l'ordre de quelques minutes pour l'étain, tandis qu'il faudra au minimum une heure avec le bore, ceci à la température de 12000 C. L'épaisseur du joint liquide, issu de la dissolution du métal de base par l'élément d'interface, peut être limitée en combinant celui-ci à une matrice de composition proche de celle du matériau des pièces à assembler, ctest-à-dire à base Fa, Ni, Ni-Cr Ni-Co, Co ... par exemple ; pour un joint liquide initial de 5 microns l'épaisseur de la zone liquide après dissolution est d'environ 18 microns en utilisant l'étain pur, et d'environ 6 microns pour un alliage Ni-Sn à 33 % d'étain en masse. La température de traitement dépend de la nature du matériau d'interface choisi, mais dans tous les cas, elle doit être suffisante pour permettre la formation de composés intermétalliques ou de solutions solides suffisamment stables et résistants. Dans ces conditions, la température de traitement sera dans tous les cas supérieure à 10509 C si l'on utilise l'étain comme matériau d'interface, supérieure à 9000 C pour des éléments tels que l'indium ou le gallium et supérieure à 10000 C pour l'antimoine et le germanium. La limitation de la température au solidus des pièces à assembler est imposée par la nécessité de ne pas affecter la texture de l'assemblage dans la zone de contact , ce qui influencerait défavorablement les caractéristiques de la liaison.Dans certains cas, la limite supérieure de la fourchette de température devra encore être réduite pour éviter des transformations irréversibles préjudiciables à la qualité du matériau de base, ou pour être compatible avec les traitements thermiques du métal de base. Le traitement thermique pourra être effectué de façon classique dans un four disposant de moyens de mise sous pression de l'assemblage, ou par un procédé du type chauffage par résistance, l'existence d'une pression de maintien étant dans ce cas inhérente au procédé. La nature des pièces à assembler, acier ou superalliage, ainsi que le matériau d'interface choisi rendent possible la réalisation du traitement thermique à l'air libre notamment dans le cas de l'utilisation du chauffage par résistance. Dans le cas où lton cherche à éviter toute oxydation, le traitement s'effectuera de préférence sous un vide meilleur que 0,1 Pa ou sous atmosphère inerte, à une pression partielle, ou atmosphérique. La mise sous pression des pièces se fait de façon classique dans le cas de formes simples. Pour des pièces de forme complexe, par exemple lors de l'assemblage d'aubes de turbine formées de demi-coquilles, la transmission de la pression pourra se faire de manière "hydrostatique" en disposant l'assemblage à l'intérieur d'une cavité contenant une poudre, un piston appliquant la pression à la surface libre de la poudre. Cette pression a pour but d'une part d'assurer la conservation de la position relative des pièces au début de l'assemblage, et d'autre part de limiter la quantité de métal liquide au niveau du joint. Il n'est donc pas indispensable de la maintenir pendant tout le traitement, celui-ci pourra ainsi se décomposer en une opération de préassemblage sous pression, pendant laquelle a lieu la solidification isotherme, et à la fin de laquelle il n'existe plus de phase liquide suivie d'un traitement sans pression ayant pour but de poursuivre le phénomène de diffusion. Les contraintes engendrées par cette pression doivent permettre l'accostage des surfaces sans obligatoirement entraîner leur fluage contrairement au soudage par diffusion et ne doivent pas entraîner de déformation notable des pièces. En ce qui concerne le temps de traitement, celui-ci dépendra notamment de la valeur admissible pour la température de traitement, et du mode de chauffage ; il sera déterminé pour chaque cas en fonction des résultats à obtenir. Des adjonctions diverses telles qu'un liant organique peuvent être utilisées pour favoriser le maintien du métal d'apport et/ou des pièces. D'autres matériaux peuvent, dans certains cas, compléter l'action du métal d'apport, comme par exemple le nickel, pour des assemblages de pièces en acier ou superalliage qui contiennent un certain pourcentage de titane et/ou d'aluminium, afin de favoriser la dissolution des carbures qui ont tendance à se former en cours de traitement. Les caractéristiques et les avantages de l'invention seront mieux mis en évidence à partir des exemples suivants qui concernent l'application du procédé selon l'invention à la liaison des pièces massives en superalliage. Ces exemples ne sont pas limitatifs, en particulier le procédé selon l'invention s'est avéré particulièrement avantageux dans la fixation d'abradables métalliques réfractaires sur leur support. On rappelle que les abradables sont des matériaux susceptibles d'usure par abrasion utilisés notamment comme revêtement dans les carters de turbine afin de limiter le jeu au sommet des aubes. Ils se présentent par exemple sous la forme de nids d'abeilles, ou de matériaux poreux du type feutre ou poudre frittée. Exemple 1 : Le procédé selon l'invention a été utilisé avec succès dans l'assemblage de pièces en alliage baseNi,NC19FeNb (INCONEL 718). La surface de contact de l'une des pièces à assembler reçoit un dépit d'indium au tampon d'une épaisseur de 5 microns. Au préalable, on a réalisé un dépôt de Ni, ou de Ni-Co, sur les parties à assembler afin de permettre la dissolution des carbures susceptibles de se former en cours de traitement et qui créeraient une barrière de diffusion. Le traitement est réalisé en deux étapes - un préassemblage effectué au four, sous atmosphère, à 9800 C pendant quatre heures avec une pression de maintien de 20 MPa - puis un traitement de diffusion, sans contrainte, au four sous atmosphère, à 101 ou C pendant seize heures. Les températures de traitement choisies restent ainsi dans la fourchette admissible pour ce type d'alliage à l'état forgé, c'est-à-dire entre 9600 C et 10150 C. Un traitement de revenu propre à l'alliage est ensuite effectué à 7200 C pendant huit heures, puis 6200 C pendant huit heures. Il n'a été constaté aucun grossissement du grain dt au procédé de liaison et les essais de résistance effectués ont révélé une bonne tenue de l'assemblage dans le domaine d'utilisation. Exemple 2 Le procédé selon l'invention a également été appliqué à la liaison de pièces en alliage base Co, KC 24 NWTa ( MAR M 509 ) sous forme coulée. Les parties des pièces à assembler sont décapées ou subissent un polissage électrolytique puis reçoivent un dépôt d'étain au bain diune épaisseur comprise entre 5 et 10 microns. Le traitement est effectué en deux étapes - un préassemblage au four sous vide, ou un chauffage par résis tance sous argon, à 12000 C ; le temps de traitement dépend du procédé utilisé ( une heure dans le procédé de chauffage par résistance, quatre heures dans le cas du four ), la contrainte étant de 35 MPa dans le chauffage par résistance et de 10 MPa dans le cas du four - poursuite du traitement sans pression, en vue de compléter la diffusion, à 12300 C pendant six heures, conjointement stef- fectue la mise en solution de l'alliage KC 24 NWTa. Cette façon de procéder permet de fabriquer des aubes en KC 24 NWTa à partir de deux demi-coquilles sans altérer les cavités internes necessaires au refroidissement, grâce notamment à la facilité de réaliser un dosage facile et précis du métal d'apport. Exemple 3 Cet exemple concerne l'assemblage par le procédé selon l'invention de pièces en COTAC 74 ( marque ONERA ). Ce matériau est un alliage à matrice base Ni à durcissement structural, renforcé par des fibres de carbure de niobium. La composition de la matrice en pourcentage est la suivante : Co : 0,2 - Cr : 0,15 - W : 0,10 - Al : 0,03 - reste Ni. L'assemblage a été effectué à l'aide du procédé selon l'invention de la façon suivante - usinage et dégraissage des parties à assembler ; - dépôt électrolytique de 5 à 10 microns d'étain sur une des faces de l'assemblage - préassemblage au four sous vide à 12000 C pendant une heure sous une contrainte de 10 MPa - traitement de diffusion conjointement au traitement de trempe, 13000 C pendant trois heures sous argon, puis 11000 C pendant une heure sous argon - traitement de revenu. Les résultats sont de tordre de ceux obtenus en soudage par diffusion classique, mais les paramètres opératoires sont plus souples. Par rapport à d'autres procédés de brasage-diffusion, le procédé selon l'invention a l'avantage de ntentraîner qu'une légère coalescence des fibres de Nb-C, sans les dissoudre. REVENDICATIONS 1. Procédé de solidarisation de pièces en acier inoxydable ou en superalliage, caractérisé en ce que l'on interpose entre les faces des pièces venant en contact une couche d'un matériau d'interface choisi dans un groupe comprenant l'étain, l'indium, l'antimoine, le gallium, le germanium,en ce que l'on soumet l'ensemble à un traitement thermique, en atmosphère contrôlée, à une temperature supérieure à 900 C mais dans tous les cas infé rieure à la température de solidus des pièces à assembler pendant un temps suffisant pour permettre la migration du matériau d'interface et la formation de composés, ou de solutions, assurant le brasage diffusion des pièces à solidariser, les pièces étant soumises à une pression modérée de façon à maintenir leur position relative et à favoriser la diffusion, sans entraîner de déformation, pendant au moins une partie du traitement. 2. Procédé de solidarisation de pièces en acier inoxydable ou en superalliage, caractérisé en ce que l'on interpose entre les faces des pièces venant en contact une couche d'un matériau d'interface formé d'une combinaison de matériaux choisis dans un groupe comprenant l'étain, l'indium, l'antimoine, le gallium, le germanium, en ce que l'on soumet l'ensemble à un traitement thermique, en atmosphère contrôlée, à une température supérieure à 9000 C mais dans tous les cas inférieure à la température de solidus des pièces à assembler pendant un temps suffisant pour permettre la migration du matériau d'interface et la formation de composés, ou de solutions, assurant le brasage diffusion des pièces à solidariser, les pièces étant soumises à une pression modérée de façon à maintenir leur position relative et à favoriser la diffusion, sans entraîner de déformation, pendant au moins une partie du traitement. 3. Procédé selon l'une cts revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau d'interface est combiné à une matrice dont la composition est proche de celle des pièces à solidariser. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le traitement thermique comprend successivement une étape de préassemblage dans laquelle les pièces sont maintenues sous pression et à l t issu de laquelle il ne subsiste plus de phase liquide à l'interfacedes pièces, et une seconde étape ayant pour but de compléter le phénomène de diffusion dans laquelle la pression exercée sur les pièces lors du préassemblage est relâchée. 5. Procédé selon ltune des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le matériau d'interface est de l'étain et que la température de traitement est supérieure à 1050 C. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le matériau d'interface est de l'antimoine ou du germanium et que la température de traitement est supérieure à ion00 C. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les faces des pièces venant en contact reçoivent préalablement à l'assemblage un dépôt de nickel. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué sous un vide inférieur à 0,1 Pa. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le traitement est effectué sous une atmosphère neutre. 10. Procédé de liaison d'un matériau abradable, ctest-à- dire susceptible d'usure par abrasion, notamment du type nid d'abeille en métal réfractaire ou du type poreux réalisé à partir de poudres frittées ou de feutre à base de métaux réfractaires, sur un support métallique en acier ou en superalliage caractérisé en ce qu'il est conforme à l'une des revendications 1- à 9.