Brevet FR2511908A1 — publié le 19830304

* 1 9 Prro(Cdô de brasage-diffusion destiîîé auxyièces en superalliages. L'invention concerne un nouveau procédé de brasage- diffusion destiné aux pièces en superalliages à base de nickel ou de cobalt, c'est-à-dire en alliages réfractaires ayant une teneur pondérale d'au moins 50 % de nickel ou de cobalt. On rappelle que l'on entend par brasage-diffusion un pro- cédé d'assemblage du genre consistant à disposer entre les faces de liaison des pièces métalliques à assembler (de compositions proches) une couche métallique de liaison de composition globale proche mais comportant en outre au moins un élément d'apport (parfois dit "fondant") qui la rend plus fusible que le ou les alliages des pièces et qui est capable de diffuser dans celles-ci de telle sorte que lorsque un traitement thermique adéquat est appliqué à l'ensemble desdites pièces et de ladite couche de liaison, celle-ci fond au moins partiellement puis se resolidifie par diffusion de l'élément d'apport. Il est connu d'assembler des pièces en superalliages par brasagediffusion et notamment des pièces de fonderie Le brevet français publié sous le n' 2 132 050 décrit par exemple l'application d'un procédé de ce genre à l'assem- blage de pièces en superalliages à base de nickel L'élé- ment d'apport de la couche de liaison doit être choisi de telle sorte qu'il ne provoque pas de phases fragilisantes durant sa diffusion dans les superalliages C'est pourquoi des éléments tels que l'aluminium, le titane et le carbone sont en principe à éviter dans ladite couche de liaison. Celle-ci contient par exemple, en proportions pondérales pour cent: 15 Cr; 15 Co; 5 Mo; 3 B; reste Ni. -2- La mise en oeuvre d'un tel procédé impose de grandes précautions La couche de liaison doit être aussi m:_nce que possible car, plus elle est épaisse plus les risques de porosités et de pertes de métal sont grands, à moins de prévoir des joints d'étanchéité autour de la zone de liaison et des réserves de métal, en constituant ainsi un véritable moule, plus la diffusion est longue, plus la composition et les propriétés des pièces à assembler sont altérées au voisinage des faces de liaison. Mais plus la couche de liaison est mince et plus les ris- ques d'apparition de défauts de liaison (manques, col- lages, etc) sont élevés, ce qui impose d'usiner avec précision les surfaces de liaison des pièces et de soumet- tre celles-ci a une pression de rapprochement durant l'exécution du procédé. En fait, tous ces inconvénients viennent de ce que la couche de liaison fond intégralement Plus précisément, sa température de liquidus est inférieure à la température de solidus des superalliages des pièces Si l'on désire une liaison d'excellente qualité (pour constituer par exemple une pièce de forme complexe par assemblage de pièces élé- mentaires) les exigences à respecter font qu'il est par- fois impossible de trouver sur le marché un alliage (sous forme de poudre, de feuillard, etc) dont la composi- tion correspond effectivement à celle de la couche de liaison qu'il importe d'utiliser. Le procédé de brasage-diffusion de l'invention, destiné à l'assemblage d'au moins deux pièces en superalliages à base de nickel ou ae cobalt et de compositions proches, est lui aussi du genre qui consiste d'une part à inter- 11908 -3- poser entre les faces de liaison desdites pièces une cou- che de liaison de composition globale proche des composi- tions desdits superalliages ou de composition légèrement différente mais de propriétés identiques et qui comporte en outre au moins un élément d'apport qui la rend plus fusible que lesdits superalliages et d'autre part à sou- mettre l'ensemble à un traitement thermique de brasage- diffusion Mais il est caractérisé en ce que ladite couche de liaison est constituée par un mélange intime d'au moins deux poudres d'alliages en proportions sensiblement iné- gales, à savoir d'une part, dans la plus forte proportion, une poudre de superalliage dite "poudre de base" ne conte- nant substantiellement pas d'élément d'apport et d'autre part, dans la plus faible proportion, une poudre d'alliage dite "poudre d'apport" contenant au moins du nickel ou du cobalt et en outre ledit élément d'apport a une teneur telle que la température de liquidus de l'alliage de cette poudre d'apport est inférieure à la température du solidus des superalliages des pièces et de la poudre de base Ces poudres d'apportseront de préférence choisies dans des systèmes ternaires ou quaternaires En particulier, les systèmes Ni, Cr, B et Ni, Co, Si et B présentent d'excel- lentes propriétés de mouillabilité et évitent, aux tempé- ratures usuelles de traitement la formation de composés insolubles A ce sujet, on évitera en particulier la présence simultanée des éléments Ni, Cr, Si et B. Il résulte de ces dispositions caractérisantes les avantages suivants les phénomènes de dilatation volumique à la fusion et de retrait à la solidification n'affectent que l'alliage de la poudre d'apport et se trouvent atténués dans toute l'épaisseur de la couche de liaison en raison de la pré- sence des grains de la poudre de base; 251190-8 -4 après resolidification, l; couche de liaison demeure donc compacte même si son épaisseur est notable (de l'ordre par exemple de quelques dixièmes de millimètre à un millimètre), et ceci d'autant plus que, lors de la fusion de la poudre d'apport, la phase liquide se trou- vait retenue par capillarité entre les grains de la poudre de base; quelle que soit l'épaisseur de la couche de liaison, la distance à parcourir par l'élément d'apport jusqu'à dif- fusion complète est au plus égale à la demi-épaisseur des grains de la poudre de base (s'ils ne sont pas sphé- riques) ou à leur rayon (s'ils sont sphériques); la durée de la phase de diffusion du traitement ther- mique dépend donc beaucoup moins de l'épaisseur de la couche de liaison que dans les procédés de brasage- diffusion de l'art antérieur: il devient possible d'ajuster au mieux la composition chimique de la zone de liaison (après diffusion) en agissant sur les proportions relatives de la poudre de base et de la poudre d'apport, c'est-à-dire que l'on peut dans presque tous les cas utiliser un mélange de poudres disponibles sur le marché: il est même possible d'utiliser une poudre d'apport dont l'élément de base est différent de l'élément de base des pièces et de la poudre de base; on peut par exemple utiliser, pour l'assemblage de pièces en superalliages a base de cobalt, une poudre de base dont l'élément de base est le cobalt et une poudre d'apport dont l'élément de base est le nickel, -5 _ il est possible de combiner ou de cumuler l'opération selon l'invention avec un brasagediffusion de l'art antérieur, ce qui permet de traiter toutes les confi- gurations géométriques possibles sans usinage mécanique des faces à joindre, notamment lorsque leur écartement est très faible. Etant donné sa souplesse, le procédé de l'invention peut l O avantageusement être mis en oeuvre pour de nombreuses applications, et notamment: pour réaliser une pièce complexe par assemblage d'au moins deux pièces élémentaires en superalliages; pour obturer une cavité accidentelle (défaut de fonde-, rie, fissure) ou intentionnelle (trou de passage de la portée d'un noyau de fonderie) d'une pièce en super- alliage au moyen d'un bouchon constitué lui-même d'un mélange selon l'invention; pour remplacer une portion défectueuse d'une pièce en superalliage ou pour assembler à celle-ci un élément subsidiaire (bossage, nervure de renfort, etc). On doit enfin signaler que le procédé de brasage-diffusion de l'invention peut même permettre de réaliser simultané- ment l'assemblage sur une première pièce d'une deuxième pièce constituée par une ébauche pré-frittée du mélange lui-même, en assurant en même temps la compacification de celle-ci On dispose au contact de la première pièce l'ébauche pré-frittée constituée par le mélange Le trai- tement de brasage-diffusion réalise alors en même temps, d'une part, la compacification et l'homogénéisation de l'ébauche et, d'autre part, son assemblage avec la pre- mière pièce La couche de liaison est alors constituée par la zone superficielle de l'ébauche en contact avec la première pièce Cette disposition s'applique essentiel- lement à l'assemblage sur une pièce déjà élaborée d'un élément subsidiaire de forme simple (bossage ou bouchon) dont l'ébauche pré- frittée est d'un prix de revient très faible. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description complémentaire qui suit et qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: les figures 1, 2 et 3 sont des diagrammes illustrant les divers états physico-chimiques de la couche de liaison lors de l'exécution du procédé de l'invention; la figure 4 est une vue d'une aube fixe de turbine reconditionnée au moyen du procédé de l'invention; la figure 5 est une vue de face d'un secteur d'aubes de turbine obtenu par assemblage d'aubes élémentaires au moyen du procédé de l'invention; la figure 6 est une coupe d'une portion d'aube creuse de turbine montrant l'obturation d'un orifice de passage de portée de noyau par un bouchon au moyen du procédé de l'invention. La figure 1 schématise la structure d'une portion d'un ensemble piècescouche de liaison avant l'exécution du traitement de brasage-diffusion On y voit une portion de paroi de deux pièces à assembler A et B et le mélange de poudres: les grains C de la poudre de base et les grains D de la poudre d'apport. La figure 2 schématise la structure lorsque les grains D ont fondu La phase liquide E à laquelle i lrh ont donné naissance mouille les parois A et B et les grains C El le est retenue par eapillarilé '"tant donné les faiblene dhi"-ii sions des grains. La figure 3 schématise la structure lorsque le traitement de diffusion a été correctement conduit Il reste une cou- che intermédiaire solide F de structure métallographique homogène liée par diffusion aux parois des pièces A et B, ce que l'on a symbolisé par le dessin en pointillé des limites de ces parois. Du fait des phénomènes physiques et métallurgiques inter- venant pendant l'opération, le taux de porosité final peut être pratiquement nul. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, les figures qui suivent sont relatives à des exemples d'application du procédé de l'invention La description de chacun de ces exemples mentionnera seulement les dispositions essentielles, à savoir s la nature du ou des superalliages des pièces à assem- bler, indiquée au moyen des symboles normalisés en usage,' la nature du superalliage de la poudre de base et sa granulométrie, la composition chimique (teneurs pondérales pour cent) de la poudre d'apport et sa granulométrie, les proportions respectives de ces deux poudres, l'épaisseur de la couche de liaison réalisée au moyen du mélange de ces poudres, enfin, les températures et les durées du cycle de trai- tement thermique de brasage-diffusion. Mais on précise dès maintenant certaines dispositions applicables dans ces exemples qui ne seront pas reprises parce qu'elles sont déjà connues par l'homme de l'art. La mise en place du mélange pulvérulent qui constitue la couche de liaison peut s'effectuer de diverses façons Si les faces d'assemblage des pièces sont planes et horizon- tales, on peut interposer ce mélange à l'état libre. Cependant, il est la plupart du temps préférable de lui ajouter un liant organique qui disparait par pyrolyse au cours du traitement thermique et qui est choisi pour ne pas laisser de résidu carboné On peut par exemple: soit introduire la couche de liaison sous la forme d'une pâte fluide résultant de la dispersion du mélange pulvé- rulent dans une solution de résine acrylique dans le monomère de celle-ci; soit l'interposer sous la forme d'une feuille ou d'un ruban réalisé par laminage d'une dispersion dudit mé- lange pulvérulent dans une résine acrylique. Quant à la granulométrie des poudres de base et d'apport, elle doit être évidemment choisie pour que la plus grande dimension des grains n'excède pas le jeu entre les pièces a assembler (qui conditionne l'épaisseur de la couche de liaison) On doit cependant mentionner l'intérêt d'uti- liser une poudre d'apport d'égale dimension ou plus fine que la poudre de base car le mélange est plus compact Les grains les plus fins se logent entre les grains les plus gros qui peuvent même venir au contact si le rapport des granulométries est suffisant et si la proportion de poudre d'apport n'est pas trop élevée Les porosités deviennent alors extrêmement rares. Il peut être nécessaire de faire suivre le traitement de brasagediffusion d'un traitement de remise en solution ou de revenu que l'on ne mentionnera pas parce qu'il ne fait -9- pas partie du procédé de l'invention. Pour éliminer les porosités résiduelles, il est possible de faire suivre le traitement de brasage-diffusion (de préférence réalisé sous vide) par un traitement de compa- cification sous pression Mais on peut aussi réaliser le traitement de brasage-diffusion sous pression isostatique en atmosphère inerte, bien que la mise en oeuvre exige alors un matériel de traitement plus complexe et plus coûteux. Enfin, sauf exception, on passera sous silence, parce qu'elles sont du genre connu, les opérations de nettoyage ou de décapage des surfaces a assembler. Exemple n'1 (figure 4) Cet exemple concerne une aube fixe de turbine 40, coulée de précision en alliage à base de cobalt KC 25 NW, commer- cialement connu sous le nom H 531, dégradée par fissuration ou fatigue thermique Pour le reconditionnement de cette pièce, il est procédé à un rechargement du bord de fuite en vue du ragrèment du profil. La réparation a été conduite selon la gamme de principe suivante remplissage des fissures les plus fines 41 par un métal d'apport à base de Ni Cr B sous forme d'une pâte consti- tuée de poudre préalliée et d'un liant volatile, fusion du métal d'apport et colmatage des fissures par passage à 1200 C pendant 15 mn sous vide, dépôt d'un matériau selon l'invention constitué de pou- dre d'alliage base cobalt et de poudre de métal d'apport du type Ni Co Si B, sur les parties 42 endommagées du bord - de fuite, fusion du métal d'apport par passage à 1200 C pendant mn sous vide, contrôle de l'aspect géométrique des réparations, traitement de diffusion à 1200 C pendant 4 h sous vide. Cet exemple illustre donc le cas intéressant ou l'élément de base de la poudre d'apport (ici le nickel) est diffé- rent de l'élément de base (ici le cobalt) de la poudre de base et des pièces. Exemple n" 2 (figure 5) Il s'agit ici de constituer un secteur de trois aubes de turbine BP par assemblage des talons de tête 51 et de pied 52 de trois aubes élémentaires 53 en alliage NK 15 CADT (commercialement connu sous le nom de RENE 77) Les cou- ches de liaison 54, d'environ 100 microns d'épaisseur, sont constituées par un mélange des poudres suivantes: poudre de base: proportion pondérale 75 %, granulométrie inférieure à 100 microns, alliage NK 17 CDAT (commercia- lement connu sous le nom d'Astroloy); poudre d'apport: proportion pondérale 25 %, granulo- metrie inférieure à 40 microns, comprenant Cr 4 3,5 B; reste Ni (température de fusion 1055 C). Le traitement thermique de brasage-diffusion comprend essentiellement: une montée en temperature d'environ 3 h jusqu'à 1200 C; un palier de 12 mn à 1200 C; un palier de 4 h à 1190 C; une baisse en température d'environ 2 h de 1190 C à 540 C. il - Les deux poudres d'alliage sont disponibles sur le marché. Exemple n' 3 (figure 6) Cet exemple concerne l'obturation, dans le talon 61 d'une aube creuse de turbine 53 en alliage NK 15 CADT, de l'ori- fice 63 qui ménageait le passage d'une portée de noyau La solution traditionnelle consiste à usiner l'orifice pour y loger une bille en acier inoxydable brasée. La solution de l'invention consiste à assembler une ébau- che pré-fritt Ae d'un bouchon de forme 64, cette ébauche étant constituée du mélange de poudres d'alliages suivant poudre de base: proportion pondérale 75 %; granulomé- trie inférieure à 160 microns, alliage NK 17 CDAT; poudre d'apport:-proportion pondérale 25 %, granulomé- trie inférieure à 40 microns, comprenant 17 Co; 4 Si; 2,7 B; reste Ni (température de solidus 960 *C). L'ébaucheest introduite dans l'orifice et l'ensemble est soumis à un traitement thermique rapide de brasage- diffusion comportant essentiellement un palier de 15 mn à 12000 C Ce traitement permet de réaliser simultanément le frittage de l'ébauche du bouchon 64 et sa liaison avec les parois de l'orifice 63 La couche de liaison est tout sim- plement constituée par les couches superficielles de l'ébauche en contact avec les parois du trou Il est inu- tile d'usiner celui-ci du moment que sa paroi est convena- blement décapée. Outre le fait que la poudre de base et la poudre d'apport sont disponibles sur le marché, les avantages de cette 12 - solution sont en fin de compte les suivants coût de l'ébauche très faible, application a la liaison avec des surfaces brutes de moulage. Ladite solution est d'ailleurs applicable chaque fois qu'il s'agit de rapporter sur une pièce pré-existante une portion de pièce supplémentaire telle qu'une nervure, un bossage, etc On pourrait indiquer beaucoup d'autres exemples d'utili- sation du procédé de l'invention, mais ceux que l'on a donnes suffisent à montrer la variété des applications possibles. D'une manière générale, les essais de mise au point de l'invention ont montré que, lorsque les pièces à assembler sont en superalliages à base de cobalt, la proportion de la poudre d'apport dans le mélange pulvérulent doit être de préférence comprise entre 5 % et 40 % et que, lors- qu'elles sont en superalliages à base de nickel, cette proportion doit être de préférence comprise entre 5 % et %. 13 - REVENDICATIONS 1 Procédé de brasage-diffusion, destiné aux pièces en superalliages à base de nickel ou de cobalt, du genre qui consiste d'une part à interposer entre les faces de liai- son desdites pièces une couche de liaison de composition globale identique à celle d'un proche superalliage clas-. sique mais qui comporte en outre au moins un élément d'apport qui la rend plus fusible que lesdits super- alliages et d'autre part à soumettre l'ensemble a un trai- tement thermique de brasage-diffusion, caractérisé en ce que ladite couche de liaison est constituée par un mélange intime d'au moins deux poudres d'alliages en proportions sensiblement inégales, à savoir, d'une part, dans la plus forte proportion, une poudre de superalliage dite "poudre de base" ne contenant substantiellement pas d'élément d'apport et d'autre part, dans la plus faible proportion, une poudre d'alliage dite "poudre d'apport" contenant au moins du nickel ou du cobalt et, en outre, ledit élément d'apport a une teneur telle que la température de liquidus de l'alliage de cette poudre d'apport est inférieure à la température de solidus des superalliages des pièces et de la poudre de base. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'apport est le bore. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la poudre d'apport est constituée des éléments: nickel, 3 o chrome et bore. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que. les éléments d'apport sont le bore et le silicium. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que 14 - la poudre d'apport est constituée des éléments nickel,- cobalt, silicium et bore. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, l'élément de base des superalliages de la poudre de base et des pièces étant le nickel, la proportion pondérale de la poudre d'apport dans le mélange est de 5 à 25 %. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de base des superalliages de la poudre de base et des pièces étant le cobalt, la proportion pondérale de la poudre d'apport dans le mélange est de 5 à 40 %. 8 Prod 4 dé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de base des superalliages de la poudre de base et des pièces étant le cobalt, l'élé- ment de base de la poudre d'apport est le nickel. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, -caractérisé èn ce que les pièces à assembler sont des pie- ces élémentaires dont l'assemblage permet d'obtenir une pièce de forme complexe. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les pièces à assembler sont, d'une part, une pièce dont une portion défectueuse a été enlevée et, d'autre part, un élément de pièce destiné à remplacer ladite portion défectueuse. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 8, caractérisé en ce que l'une des pièces est une pièce elè- mentaire de forme simple à rapporter sur l'autre pièce. - 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite pièce élémentaire est une ébauche pré-frittée constituée par un mélange selon l'invention. 13 Procédé d'obturation d'un orifice de passage de portée de noyau d'une pièce moulée en superalliage, caractérisé en ce qu'il est conforme à la revendication 10. 14 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces à joindre sont les parois d'une cavité existant dans une pièce.