Brevet FR2477184A1 — publié le 19810904

L'invention a pour objet un procédé pour augmenter la durée de vie d'une pièce en matériau réfractaire à matrice métallique et fibres parallèles de carbure métallique. On connaît des matériaux composites réfractaires com- prenant une matrice métallique dans laquelle sont noyées des fibres parallèles monocristallines en carbure métallique ou whiskers. De tels matériaux, décrits dans le Brevet français 69 12452, le Certificat d'Addition 69 44108, le Brevet fran- lo çais 74 31140 et la Demande de Brevet français 78 32151 au nom du présent Demandeur, comprennent une matrice en superal- liage à base de nickel et/ou de fer et/ou de cobalt, dans la- quelle est présente une phase de renforcement constituée par des fibres monocristallines parallèles ou whiskers en monocar- bures de métaux de transition tels que TaC, NbC, TiC, HfC,VC ou ZrC, soit en un seul de ces monocarbures, soit en une solu- tion solide de deux ou trois de ces carbures. Des pièces en de tels matériaux sont obtenuesde moula- ge par solidification unidirectionnelle dans des conditions assurant la formation au sein de la matrice de longues fibres parallèles monocristallines. Dans de tels matériaux dont la matrice complexe est à base de nickel, celle-ci peut être durcie par précipitation d'une phase ordonnée y' du type Ni3Al, ainsi que par la présen- ce en solution solide de tungstène et éventuellement de molyb- dène. Ces matériaux présentent des qualités exceptionnelle- ment élevées en ce qui concerne leurs caractéristiques mécani- ques telles que la résistance à la traction, le comportement en fluage, leur stabilité structurale, et sont particulièrement appropriés pour constituer des pièces soumises en service à des sollicitations intenses à haute température, comme c'est le cas pour des aubes mobiles de turbines à gaz utilisées en aéronautique. Il est cependant reconnu que de telles aubes mobiles, après un long service,présentent des modifications de leurs caractéristiques, en particulier une augmentation de leur lon- gueur due à une déformation permanente de la matrice et une dégradation de certaines propriétés mécaniques, comme, par exemple, une limitation de leur capacité de déformation plas- tique. L'invention a pour but de traiter des pièces en des matériaux composites à matrice métallique et phase de renforcement constituée par des fibres parallèles de monocar- bure, ou whiskers, élaborées par solidification unidirection- nelle, pour restaurer auxdites pièces leurs qualités initiales après un usage qui les a soumises tant à des sollicitations mécaniques qu'à des variations brusques et répétées de tempé- rature. Le traitement selon l'invention permet ainsi de prolonger considérablement la durée d'utilisation de telles pièces. Le traitement selon l'invention est caractérisé par ce fait qu'une telle pièce usagée est portée, en principe en l'absence d'une sollicitation mécanique, à une température élevée, mais inférieure au point de fusion de l'alliage qui la constitue. De préférence, la pièce est placée sous atmos- phère d'argon. La pièce est ensuite ramenée à la température am- biante sans précautions particulières, par exemple, en lais- sant refroidir le four contenant la pièce traitée ou en sor- tant la pièce du four pour la refroidir dans l'air ambiant. Il a été constaté que, d'une manière surprenante, après un tel traitement, on aboutit à une pièce présentant les mêmes qualités qu'une pièce neuve, c'est-à-dire telle que fournie directement par la solidification unidirectionnelle et non encore utilisée. Dans les matériaux composites à matrice métallique et à fibres monocristallines parallèles du type rappelé ci- dessus, les coefficients de dilatation thermique respectifs des fibres et de la matrice sont très différents, la diffé- rence étant de l'ordre de 10-Y C. Il en résulte qu'au cours de la fabrication initia- le, la dilatation différentielle des fibres et de la matrice va induire,lors du refroidissement du matériau, des contrain- tes internes dans les fibres et dans la matrice. A la tempéra- ture ambiante, les fibres sont en compression, habituellement entre 2000 et 4000 MPa, enrobées dans une matrice qui se trouve sous tension. En l'absence de sollicitation externe, il y a équilibre mécanique entre fibres et matrice à toute tempéra- ture. Lors de son utilisation, une telle pièce est essen- tiellement soumise à des sollicitations de traction dans le sens des fibres, simultanément ou non à une élévation de tem- pérature, et, dans les conditions habituelles d'emploi, il est fréquent que soit dépassée la limite d'élasticité de la matrice, de sorte que la pièce subit une déformation plasti- que permanente, les fibres étant, bien entendu, toujours dans leur domaine d'élasticité. C'est d'ailleurs cette déformation plastique pro- gressive de la matrice qui, au cours d'un usage prolongé, amène à un allongement de la pièce qui la rend inutilisable après une durée qu'il serait souhaitable d'accroître. C'est précisément en tirant parti de ce qui, jus- qu'ici, pouvait être considéré comme un défaut que l'invention aboutit à un traitement restaurant pratiquement les qualités initiales de la pièce. Dans la pièce ayant subi une déformation plastique limitée ne conduisant pas à la rupture des fibres, le niveau de contrainte des fibres et de la matrice est modifié puisque seule la matrice a été déformée plastiquement. Dans cet état déformé la déformation élastique résiduelle en compression des fibres est plus faible que dans l'état non déformé. Si l'on chauffe une telle pièce déformée à une température suffisamment élevée, les fibres vont se dilater beaucoup moins que la matrice et le système va tendre vers un état de contrainte interne en équilibre, proche de celui qui existait à cette même température lors de l'élaboration de la-pièce. Le simple fait de ramener ensuite la pièce à la température ambiante rétablit les conditions de contrainte en équilibre de la pièce originelle,celle-ci se raccourcis- sant grâce à l'élasticité des fibres et retrouvant sa confor- mation géométrique et sa capacité de déformation d'origine. Ainsi, le traitement améliore les propriétés de fluage et de traction de pièces déjà utilisées en appliquant les propriétés élastiques de la phase de renforcement consti- tuée par les fibres monocristallines, tirant parti de l'état de contrainte interne existant dans les matériaux de ce type. La température maximale de traitement dépend de la résistance mécanique de la matrice. Dans le cas des composites à base de cobalt, sta- bilisés par des additions de nickel, une température de llOO1C est suffisante pour la restauration des dimensions et des pro- priétés mécaniques. Dans un composite à base de nickel et contenant des précipités y', il est préférable de chauffer le matériau jusqu'à la température de mise en solution des précipités y', 11001C à 12501C suivant les composites. Un maintien pendant quelques minutesde l'ordre de 15 à 30 minutes à la température maximale est suffisant pour restaurer les dimensions de la pièce. Un chauffage ultérieur à une température de 750 à 8500C, assure à nouveau la précipitation homogène des préci- pités ' et permet de restaurer les propriétés mécaniques de l'alliage. Dans la description qui suit, faite à titre d'exem- ple, on se réfère au dessin annexé dans lequel la figure unique est un diagramme. Une pièce en un matériau composite comprenant une matrice métallique, par exemple en superalliage à base nickel, et une phase de renforcement constituée par des fibres très fines allongées monocristallines, ou whiskers, obtenue par soli- dification unidirectionnelle, est, lorsqu'utilisée, déformée dans le sens de la longueur des fibres, en dépassant la limite élastique de la matrice, mais sans arriver à la rupture des fibres. La pièce est ainsi déformée d'une manière permanente mais ses fibres travaillent dans leur domaine élastique prati- quement jusqu'à leur rupture. Une pièce, après utilisation, qui peut être une éprouvette, a perdu une partie de sa capacité de déformation plastique, comme montré sur la figure, qui est un diagramme dans lequel on a porté en abscisses la déformation d'une éprouvette, et en ordonnées la contrainte en traction appliquée à l'éprouvette. La partie 0c du diagramme correspond à la déforma- tion élastique, tant dans la matrice que des fibres. A partir du point ala matrice se déforme plastiquement, le diagramme se poursuivant par la courbe aB traduisant la déformation plasti- que de la matrice et la déformation élastique des fibres. ?477184 Celles-ci restent élastiques pratiquement jusqu'au début de leur rupture qui se produit lorsque la contrainte atteint une valeur égale à l'ordonnée du point B. La courbe BC correspond à la déformation du matériau après rupture des fibres, le point C correspondant à la rupture du matériau. Si, au cours de l'utilisation ou de l'essai, la pièce est déformée jusqu'à une condition correspondant au point A du diagramme, compris entreaet B, il subsiste, après supression de la contrainte, une déformation permanente de la pièce, représentée par la longueur du segment 00', O' étant l'intersection de la droite AO', parallèle à la droite Ou, avec l'axe des abscisses. La déformation maximale permanente du matériau avant rupture des fibres est représentée par la longueur du segment Oe, e étant l'intersection de l'axe des abscisses avec la droite Be parallèle à OC. Cette déformation ou capa- cité de déformation du matériau est habituellement de l'ordre de 1 à 1,5% pour les matériaux considérés. Si, après un premier essai de traction ayant amené la pièce dans la condition symbolisée par 0', on effectue un nouvel essai de traction, la déformation plastique que la ma- trice pourra supporter n'est plus symbolisée par OS, comme pour la pièce initiale, mais par O'e de longueur notablement plus petite. EXEMPLE 1 On a fabriqué, par solidification unidirectionnel- le, des éprouvettes à partir d'un alliage à base cobalt ayant la composition nominale suivante (en % en poids) Cr 20 Ni 10 Ta 13,2 C 0,78 Co le reste. Une première éprouvette a été soumise à un essai de traction à 250C jusqu'à la rupture. La charge de rupture était de 1030 MPa et l'allongement plastique à la rupture des fibres 0,92% Une éprouvette identique a été soumise à une épreu- ve de traction qui a provoqué son allongement plastique de 0,8V Pour cet allongement, aucune rupture des fibres n'a eu lieu. L'éprouvette ayant subi une déformation plastique de 0,8% a été,selon l'invention, traitée pendant quelques minutes à 1100 C sous argon, puis refroidie. L'éprouvette traitée avait repris la longueur de l'éprouvette vierge. Un essai à la traction à 250C jusqu'à la rupture des fibres a fourni le résultat suivant: Charge correspondant à la rupture des fibres: 1020 MPa Allongement à la rupture des fibres 0,92%. L'éprouvette traitée présente ainsi les mêmes quali- tés que l'éprouvette vierge, bien qu'elle ait, au cours de son existence, été déformée plastiquement. EXEMPLE 2: On fabrique des éprouvettes par solidification unidi- rectionnelle d'un alliage à base nickel, ayant la composition suivante (en % en poids) Co 10 Cr 4 w 10 Mo 2 AI 6 Nb 3,8 C 0,47 Ni le reste. Les éprouvettes ont une matrice en superalliage à base de nickel dans laquelle sont noyées des fibres monocris- tallines ou whiskers. D'autre part, la matrice est durcie par un précipité -y' (Ni3Al). Une première éprouvette a été soumise à un essai de traction à la rupture à 10000C. Sa charge de rupture est de l'ordre de 520+10 MPa et sa capacité d'allongement plastique à la rupture des fibres est d'environ 1,2%. On a soumis une éprouvette identique à une épreuve de traction pour l'allonger de 1,3% à 250C. Au cours de l'é- preuve, les fibres ne sont pas rompues mais ont subi une dé- formation purement élastique. L'éprouvette ainsi éprouvée ou seconde éprouvette a été soumise à un essai de traction à la rupture à 1000aC comme la première éprouvette. Sa charge de rupture est de 52OMPa, sensiblement identique à la première éprouvette, mais sa capacité d'allongement plastique à la rupture des fibres est d'environ 0,33%, donc nettement inférieure à celle de la première éprouvette. Une éprouvette identique à la seconde éprouvette, c'est-à-dire ayant subi une déformation permanente à 251C de l'ordre de 1,3% est, selon l'invention, portée à 12000C sous atmosphère d'argon pendant 30 minutes et ensuite refroidie à l'air. Après refroidissement à l'air, l'éprouvette a été amenée à une température de 8500C et y a été maintenue envi- ron 15 heures. L'éprouvette traitée a été soumise à un essai à la traction à 10000C jusqu'à la rupture des fibres. La charge de rupture était d'environ 520 MPa et l'allongement plastique à la rupture des fibres de l'ordre de 1,2%, c'est-à-dire ayant des valeurs identiques à celles de l'éprouvette vierge. Le traitement à 12000C a ramené l'éprouvette à sa longueur initiale, et le traitement à 8500C a permis de réta- blir la précipitation homogène de la phase y' (Ni3Al) présente dans l'éprouvette vierge. EXEMPLE 3 On part des mêmes éprouvettes que les éprouvettes vier- ges de l'Exemple 2. On soumet de telles éprouvettes à des épreuves de fluage, d'une part à 8500C, et pour d'autres à 9000C et 10000C. Après avoir été ramenées à la température am- biante, les éprouvettes avaient une déformation permanente de l'ordre de 1,2 - 1,3%. Les éprouvettes ainsi déformées ont été traitées selon l'invention en les portant à 12000C pendant minutes puis refroidies à l'air. Elles ont ensuite été por- tées à 8500C pendant 16 heures. Toutes les éprouvettes ont retrouvé pratiquement leurs longueurs initiales mesurées avant les essais de fluage. Le tableau ci-dessous montre que les cycles de traite- ment thermique et de restauration (120000/30mn + 8500C/16 h) effectués améliorent de façon importante les durées de vie en fluage de l'alliage par rapport aux durées de vie en fluage ininterrompu. Conditions d'sasTemps (heures) Conditions d'essais Mesures de longueurs des éprouvettes (m (depe 850 400 30,02 30,40 30,06 30,42 30,10 1040 700 900 310 29,98 30,36 30,08 30,35 30,08 1303 700 1000 220 30,00 30,36 30,06 302 200 i Un seul traitement thermique intermédiaire. L_ __ _ __ %) 4> -j co Pl. Les traitements thermiques selon l'invention pré- sentent un intérêt particulier pour les aubes mobiles de tur- bines. Alors que les aubes mobiles de turbines de certains moteurs aéronautiques sont considérées comme inutilisables après un allongement d'environ 1 à 2%, les traitements thermi- ques selon l'invention restaurent la longueur desdites aubes et leurs propriétés de fluage lorsqu'elles ont été déformées jusqu'à l'allongement maximal admissible. Ces traitements permettent donc de prolonger la durée de vie des aubes d'une façon considérable. 477 18 4 REVENDICATIONS 1. Procédé pour augmenter la durée de vie d'une pièce élaborée par solidification unidirectionnelle d'un maté- riau composite réfractaire comprenant une matrice en superal- liage et une phase de renforcement constituée par des fibres monocristallines alignées, en monocarbure, la pièce ayant subi une déformation plastique permanente limitée dans le sens des fibres, celles-ci n'étant cependant pas rompues, caracté- risé en ce qu'on restaure les qualités initiales de la pièce en la soumettant à un traitement thermique consistant à la mainte- nit à une température élevée inférieure au point de fusion du matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est celle pour laquelle la pièce re- prend après refroidissement sa longueur initiale. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement thermique est conduit sous atmosphère d'ar- gon, sans contrainte mécanique de la pièce. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce que la matrice étant à base de cobalt et-les fibres en carbure de tantale, la pièce déformée est portée à une tem- pérature d'environ 11000C. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisée en ce que la pièce est maintenue à cette température pendant environ 30 mn. 6. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caracté- risé en ce que la matrice étant à base de nickel et les fibres monocristallines étant en monocarbure de niobium, la pièce est portée à une température comprise entre 1150 et 12500C. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce est maintenue à cette température pendant environ 30 mn. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matrice contenant un précipité y' (Ni3Al), la pièce est, après le traitement de rétablissement de sa dimen- sion, portée à une température propre à permettre une nouvel- le précipitation de la phase y'. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pièce est portée à environ 8500C pendant environ il quinze heures. 10. Pièce restaurée par la mise en oeuvre du procé- dé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.