Brevet FR2480786A1 — publié le 19811023

Cette invention concerne le moulage de métaux, et, plus particulièrement une pièce moulée à structure granulaire composite fabriquée à partir d'une pièce à structure granu- laire unique. Les perfectionnements apportés à la technologie des moteurs à turbine à gaz reposent, en partie, sur l'utilisa- tion d'alliages hautes températures perfectionnés et sur la nature de la structure granulaire de ces alliages une fois transformés en pièces. On peut citer parmi les types d'allia- ges les plus largement utilisés dans les parties chaudes des moteurs à turbine à gaz, des alliages à base de nickel ou de cobalt, ou de ces deux métaux. On fabrique commodément ces pièces, qui sont par exemple des aubes mobiles et des aubes fixes, par le procédé bien connu de moulage de précision à la cire perdue. Toutefois, le constructeur de moteurs à tur- bine dispose de plusieurs microstructures ou formes cristal- lines, parmi lesquelles il doit choisir. Ce choix dépend des propriétés que veut obtenir le constructeur et du coût relatif de fabrication de cette forme de pièce. On a, par exemple, réalisé des moulages à grains multiples par une germination réglée de la manière décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 158 912. On a ensuite mis au point des procé- dés et des appareils pour obtenir des pièces présentant une structure de grains allongée, résultant d'une solidification dirigée au cours du procédé de moulage. Cette structure de grains permet d'obtenir des propriétés supérieures à tempéra- ture élevée, d'une manière prédominante en ce qui concerne la résistance à la fatigue thermique par rapport à des pièces moulées de manière classique présentant une structure granu- laire équiaxe du type obtenu par la mise en pratique de l'in- vention décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 158 912. Le brevet des EUA n0 3 897 815 décrit un tel procédé et un appareil pour effectuer la solidification dirigée. On a enregistré un réglage supplémentaire des propriétés des moulages dans des brevets comme le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique no 3 494 709, relatif à la production d'une pièce moulée à grain unique, et le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 033792 relatif à des articles composites fabriqués à partir de plu- sieurs éléments, dont au moins certains sont du type à grain unique. La mise au point d'une pièce moulée d'un seul bloc présentant une structure granulaire composite peut permettre d'obtenir des propriétés mécaniques recommandées dans diffé- rentes parties de la pièce soumises à des conditions diffé- rentes, par exemple dans la partie aérodynamique et dans la partie de fixation d'une aube mobile ou fixe de turbine fonc- tionnant à température élevée. Dans une des réalisations du procédé de la présente invention pour la fabrication d'une pièce moulée à structure granulaire composite à partir d'un moulage d'une seule pièce, on forme une pièce moulée d'un seul bloc, en un superalliage haute température du type à base de Ni ou de Co ou des deux, présentant une structure à grain unique. L'alliage présente de bonnes propriétés de résistance à la rupture en fluage et à la fatigue thermique à température élevée lorsqu'il présente une structure à grain unique, et peut présenter de bonnes pro- priétés de résistance à la fatigue pour un nombre de cycles élevés, dans une gamme de températures de fonctionnement infé- rieures allant jusqu'à environ 704'C lorsqu'il présente une structure à grains multiples. On fait subir à une partie de la pièce moulée d'un seul bloc à grain unique, destinée à fonc- tionner dans la gamme de températures inférieures, un écrouis- sage, et par exemple un choc, pour créer une déformation plas- tique permanente suffisante pour permettre la recristallisation de cette partie lorsqu'on la chauffe à une température de re- cristallisation élevée. Pour les superalliages à base de nickel, par exemple, ce chauffage se situera à une température allant au moins de la gamme de température de la solution gamma prime de l'alliage, à la température, non incluse, à laquelle l'al- liage subit un dommage. Lorsque la pièce moulée d'un seul bloc est en un alliage à base de cobalt, il faut la chauffer, pour la faire recristalliser, à une température comprise entre au moins environ 8710C et la température, non incluse, à laquelle l'alliage subit un dommage. Après écrouissage, on chauffe la partie écrouie de la pièce à la température de recristalli- sation pendant un temps suffisant pour la faire recristalli- ser. La partie recristallisée présente donc une résistance à la fatigue pour un nombre de cycles élevé, supérieure à celle de la partie restante à grain unique. Dans une autre réalisa- tion, le procédé comprend l'obtention de la partie à grains multiples par l'utilisation sélective d'un matériau provo- quant la germination des grains sur certaines surfaces seule- ment, de la cavité du moule pendant la solidification. Conformément à l'invention, dans la réalisation concer- nant une pièce, on réalise une pièce d'un seul bloc à struc- ture granulaire composite coulée à partir d'un superalliage haute température choisi, comprenant une partie à grain uni- que destinée à fonctionner à température élevée et présentant - de bonnes propriétés de résistance à la rupture en fluage et à la fatigue thermique et une partie à grains multiples des- tinée à fonctionner à une température plus basse pouvant aller jusqu'à environ 7040C, présentant des propriétés supérieures de résistance à la fatigue pour un nombre de cycles élevé, si on la compare à la partie à grain unique. Lors de l'étude de la présente invention, on a étudié l'effet d'un écrouissage sur un moulage. Cet écrouissage entraîne une déformation plastique permanente à une tempéra- ture inférieure à la température de recristallisation et per- met à la recristallisation de se produire lorsqu'on chauffe la partie coulée écrouie, à une température et pendant un temps qui autorise la formation de nouveaux grains. On désigne parfois par le terme d'alliage SEL, un type de superalliage à base de nickel, étudié en liaison avec la présente invention, présentant la composition nominale, en poids, de 0, 08% de C, % de Cr, 22% de Co, 4,4% de Mo, 2,4% de Ti, 4,4% d'Al, 0,015% de B, le reste étant constitué par du nickel et par des impuretés accidentelles. On a reporté dans le tableau I suivant, les conditions de traitement de cet alliage. Dans le tableau I, on mettait en oeuvre le traitement thermique de vieillissement pour l'alliage SEL à 7790C pendant 16-32 heures et on mettait en oeuvre le traitement de recristallisation et de vieillissement à 1052 C pendant 4 heures au lieu de 779 C pendant 16-32 heures. On a utilisé des bandes Almen du commerce pour déterminer les in- tensités "A" et "N" pour la déformation plastique permanente. TABLEAU I CONDITIONS DE TRAITEMENT ETAT TRAITEMENT 1 Brut de coulée + vieillissement + qrenaillage par des projectiles d'acier à une intensité 5-6A 2 Etat 1 + recristallisation + vieillissement 3 Etat 2 + nouveau grenaillage par des projectiles de verre à une intensité 8-10N 4 Etat 2 + nouveau grenaillage par des projectiles de verre à une intensité 6-8A. TABLEAU II RESULTATS DES ESSAIS D'ENDURANCE Pièces coulées en alliage SEL ETAT 4 RESISTANCE (daN/mm2) ,85 29,63 33,07 - 37,90 23,43 ê;Yr7 ES 6 Les moulages traités conformément au tableau I présen- taient une structure à grains multiples. On peut néanmoins voir l'amélioration de la résistance à la fatigue apportée par la mise en pratique de la présente invention d'après les résul- tats du tableau II ci-dessus, en particulier pour l'état 3. On peut utiliser le procédé de la présente invention pour divers moulages de métaux. Par exemple, dans la techni- que des turbines à gaz, on peut l'utiliser pour produire divers éléments d'aubage comprenant une partie aérodynamique à grain unique et des parties à grains multiples comme des pieds ou des queues d'aronde, des plateformes, des dispositifs d'inter- verrouillage de la pale, des systèmes de fixation des aubes fixes, etc. L'écrouissage sélectif d'une partie d'une pièce moulée à grain unique permet au constructeur de choisir avec beaucoup de souplesse les propriétés mécaniques les plus avan- tageuses pour une application donnée. Un autre procédé de fabrication de la pièce de la pré- sente invention comprend la germination sélective des grains lors du moulage de la pièce à grain unique. Conformément à ce procédé, on emploie un moule du type pour moulage de précision à solidification dirigée que l'on utilise habituellement pour la fabrication de pièces à grain unique. On a décrit diffé- rents moules de ce type dans la technique et en particulier dans les brevets cités précédemment. On modifie ce moule en plaçant sur une ou plusieurs parties choisies de la paroi un matériau provoquant la germination des grains et par exemple des composés comme les oxydes décrits dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique no 3 158 912 indiqué précédemment. On met ensuite en oeuvre le procédé de coulée à grain unique en in- troduisant le superalliage fondu en faisant traverser le moule par un front de solidification. On produit donc tout d'abord dans une partie du moule o se forme la pièce une partie à grain unique puis une partie à grains multiples sur la paroi choisie o on a placé le matériau provoquant la germination. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce moulée à structure granulaire composite à partir d'un moulage d'un seul bloc d'un superalliage haute température à base d'au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Ni et Co, caractérisé en ce qu'il comprend: la production de la pièce moulée d'un seul bloc à grain unique à partir d'un alliage qui présente de bonnes propriétés de résistance à la rupture en fluage et à la fati- gue thermique à température élevée à l'état de grain unique et peut présenter de bonnes propriétés de résistance à la fatigue pour un nombre de cycles élevé dans une gamme de tem- pératures de fonctionnement inférieures pouvant aller jusqu'à 7040C à l'état de grains multiples; 15. le traitement d'une première partie de la pièce à grain unique destinée fonctionner dans la gamme de tempéra- tures inférieures, consistant à lui faire subir un écrouis- sage pour créer une déformation plastique permanente à la surface de la première partie, suffisante pour permettre la recristallisation de la première partie lorsqu'on la chauffe à une température de recristallisation, cette température de re- cristallisation allant au moins de la gamme de températures de la solution gamma prime de l'alliage à la température, non incluse, à laquelle l'alliage de la pièce subit un dommage si le superalliage est à base de Ni, et étant comprise entre au moins 8710C et la température, non incluse, à laquelle l'al- liage de la pièce subit un dommage si le superalliage est à base de Co; puis, le chauffage d'au moins la première partie de la pièce à la température de recristallisation pendant un temps suffisant pour faire recristalliser cette première partie de la pièce afin qu'elle présente une structure à grains multi- ples et pour communiquer à la première partie recristallisée une résistance à la fatigue pour un nombre de cycles élevé supérieure à celle de la partie à grain unique restante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait subir l'écrouissage à la pièce en frappant la surface de la pièce. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie à grain unique restante est la partie aéro- dynamique d'un élément d'aubage. 4. Pièce à structure granulaire composite, coulée d'un seul bloc à partir d'un superalliage haute température, confor- mément à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'elle comprend: une partie à grain unique destinée à fonctionner à température élevée et présentant de bonnes propriétés de ré- sistance à la rupture en fluage et à la fatigue thermique; et une partie à grains multiples destinée à fonctionner à une température inférieure pouvant aller jusqu'à 704'C, la partie à grains multiples présentant des propriétés de ré- sistance à la fatigue en cycle élevé supérieures à celle de la partie à grain unique. 5. Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie à grain unique est la partie aérodynamique d'un élément d'aubage. 6. Procédé de fabrication d'une pièce moulée à struc- ture granulaire composite à partir d'un superalliage haute température à base d'au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Ni et Co, caractérisé en ce qu'il comprend: l'utilisation d'un moule pour moulage de précision, à solidification dirigée qui comprend des parois délimitant une partie de départ de la structure à grain unique et une par- tie de formation de la pièce; la partie de formation de la pièce comprenant un ma- tériau provoquant la germination des grains sur seulement cer- taines parties choisies de la paroi de la partie de formation de la pièce; la coulée du superalliage à l'état fondu dans le moule; puis, la solidification du superalliage en faisant traver- ser le moule par un front de solidification pour produire tout d'abord une partie à grain unique, puis une partie à grains multiples sur la paroi choisie o on a placé le matériau pro- voquant la germination.