Brevet FR2533232A1 — publié le 19840323

La présente invention concerne un article à haut module d'élasticité et un procédé de fabrication. L'invention s'applique plus précisément à un arbre à haut module d'élasticité utilisable par exemple dans un moteur à turbine à gaz. Les arbres de transmission de force motrice sont utilisés dans des nombreux types d'installations La présente invention a été développée en particulier par rapport à des arbres de turbines à gaz et sera ainsi décrite L'invention cependant n'est pas limitée aux moteurs à turbine à gaz. Tels qu'ils sont habituellement construits, les moteurs à turbine à gaz comprennent une enceinte creuse sur laquelle sont montées des rangées d'aubes stationnaires et un arbre en rotation disposé à l'inté- rieur de l'enceinte creuse sur lequel sont montés des disques aux extrémités desquels sont montées une pluralité de pales La construction est telle que des rangées alternées d'aubes stationnaires et de pales servent d'abord à comprimer l'air et ensuite à absorber l'énergie produite en consommant du carburant avec l'air précédemment compri- mé Critique pour le rendement de tels moteurs, est le maintien d'un jeu minimum entre les parties mobiles et sta- tionnaires La fonction de l'arbre de la turbine est que en vue les disques et pales y sont montés/de rotation et pour transmettre la puissance motrice de la section de turbine du moteur vers la section de compresseur du moteur Un fonctionnement efficace avec succès exige un positionnement précis des pales par rapport à l'enceinte Il est de la plus haute importance que l'arbre de la turbine soit rigide et libre de tout fléchissement et vibrations Les contraintes qui produisent des fléchissements et vibrations peuvent résulter du fonctionnement interne du moteur aussi bien que de forces appliquées à l'extérieur résultant du mouvement de l'avion. Les arbres de turbines produits selon la manière 2- habituelle sont fabriqués à partir d'un acier allié et sont produits sous forme creuse dans le but d'obtenir un degré maximum de rigidité (spécifique). La charge partielle de flexion d'articles tels que les arbres de turbines est inversement propor- tionnelle au module d'élasticité ou module de Young. En conséquence, il est souhaitable d'utiliser une matière ayant le module d'élasticité le plus élevé possible. Les matières métalliques en général ont une structure cristalline c'est-à-dire que les atomes indi- viduels de la matière ont des rapports prévisibles avec leur atomes voisins et ces rapports s'étendent d'une façon répétée au travers d'un cristal ou grain particulier Les superalliages à base de nickel ont une structure cubique à face centrée Les propriétés de tels cristaux varient de façon significative avec l'orientation. La plupart des articles métalliques contiennent plusieurs milliers de cristaux ou grains individuels et les propriétés d'un tel article dans une direction particulière réflètent l'orientation moyenne des cristaux individuels qui constituent l'article Si les grains ou cristaux ont une orientation aléatoire, alors les proprié- tés de l'article seront isotropiques c'est-à-dire iden- tiques dans toutes les directions Bien que cela est largement accepté, c'est rarement le cas étant donné que la plupart des procédés de moulage et de mise en forme produi- sent une texture ou orientation cristalline préférée Dans une situation de déformation, une telle orientation préfé- rée résulte de plusieurs facteurs Des cristaux dans certaines orientations résistent davantage à la déformation que d'autres cristaux Ces cristaux orientés résistant à la déformation tendent à tourner pendant la déformation produisant ainsi une orientation préférée Pendant la recristallisation, des orientations préférées résultent d'une germination et/ou croissance préférentielle de grains ayant certaines orientations. -3- Des textures ont été étudiées de manière approfondie et certaines applications pratiques ont été réalisées au moyen de ces matières En partbulier dans le domaine des matières magnétiques telles que les aciers de transformateurs, des textures particulières ont permis de réaliser des augmentations substantielles du rendement Ceci est décrit, par exemple, dans le brevet US No 3 219 496 et dans une publication dans Metal Progress, décembre 1953 pages 7 L-75. Des métaux qui ont subi une déformation importante présentent souvent une macrostructure "fibreuse", en particulier lorsqu'ils ont été décapés Une telle structure résulte de l'alignement d'inclusions, limites de grains et phases secondaires mais n'a aucune corrélation avec la texture cristalline de la matière, et ne doit pas être confondue avec la présente invention. Il est un but de la présente invention de décrire des étapes de procédés qui, lorsqu'elles sont appliquées à certaines classes de matières, peuvent augmenter le module de Young ou module d'élasticité dans une direction axiale d'une proportion aussi élevée que 25 %. Il est également un but de la présente inven- tion de décrire les arbres de haute rigidité obtenus. Selon la présente invention, des alliages à base de nickel ayant une composition particulière compor- tant une phase secondaire de durcissement et une énergie de défaut d'empilement modérée à élevée sont traités par une combinaison de déformations axisymétriques à chaud et axisymétriques à froid pour produire un produit avant un module d'élasticité élevé dans une direction prédé- terminée. Pour que l'invention puisse être mieux compri- se, référence est faite aux figures suivantes-o 1 Les figures la et lb représentent des diagram- mes montrant les textures en fonction d'une quantté de défor- -4- mation et de la température de déformation pour deux matières ayant deux énergies de défaut d'empilement différentes. La figure 2 est un organigramme d'un traitement montrant les étapes pour deux modes de réalisation diffé- rents de la présente invention. La figure 4 est un graphique du module de cisaillement en fonction de la température pour un exemple de matière traitée selon la présente invention ainsi que pour une matière de la technique connue. La figure 5 montre la densité de la matière de modes de réalisation selon l'invention ainsi que le module d'élasticité normalisé par la densité pour des matières traitées selon la présente invention ainsi que pour certai- nes matières de la technique connue. La présente invention concerne des articles tels que des arbres de transmission de la puissance motrice et décrit la fabrication de tels arbres en utilisant une combinaison de compositions de matières de départ et de paramètres de procédés. Il est'difficile de décrire avec prévision les nécessités pour les matières qui en combinaison avec le procédé selon l'invention, produiront le module d'élasticité élevé requis Il semble que les matières soient de préférence des alliages à base de nickel ayant une quantité substantielle (c'est-à-dire supérieure à envi- ron 30 % en volume) de phase de durcissement du type gamma prime o la phase gamma prime est un composé du type Ni 3 X, o X peut être de l'aluminium, du titane, du tantale etc Il est également essentiel que la matière ait une énergie de défaut d'empilement modérée à élevée. L'énergie de défaut d'empilement est une propriété de la matière qui influence le comportement des dislocations dans la matière et nuit profondément à la texture produite par la déformation de la matière. La présente invention permet d'obtenir une -5- rigidité élevée en développant une structure à orientation prédominante 4111 > dans la direction axiale de l'arbre. Cette texture est développée par une combinaison de dé- formations axisymétriques à chaud et à froid de la matière de départ La figure 1 montre l'effet de l'énergie de défaut d'empilement sur la texture développée par la déformation de deux matières différentes L'alliage 185 est un alliage à énergie de défaut d'empilement élevée qui est un exemple de ces alliages qui sont utilisables en rapport avec la présente invention On peut voir que des combinaisons de taux d'extrusion élevés et de températures élevées produisent la texture souhaitée D'un autre côté, l'alliage décrit sous le numéro 116 a une faible énergie de défaut d'empilement et aucune combinaison de taux d'extrusion et de température d'extrusion ne pro- duira la texture singulière nécessaire o Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, une énergie de défaut d'empilement modérée à élevée est nécessaire. Malheureusement, l'énergie de défaut d'empilement tout en ayant une signification physique bien définie, est diffi- cile à mesurer et différentes techniques de mesures- produiront différentes valeurs d'énergie de défaut d'empilement pour B même matière En effet, de nombreuses techniques pour mesurer l'énergie de défaut d'empilement donnent souvent des résultats différents lorsqu'elles sont mises en oeuvre par des chercheurs différents Pour cette raison, il n'est pas pratique de décrire l'énergie de dé- faut d'empilement requise en un sens numérique, cependant, il est possible de décrire un alliage dont l'énergie de défaut d'empilement est une énergie limite, de sorte que dans le but d'accomplir les résultats souhaitées, la présente invention exige réellement un alliage et ayant une énergie de défaut d'empilement plus élevée Donc, un spécialiste en la matière peut produire cet alliage, mesurer son énergie de défaut d'empilement, et mesurer l'énergie de défaut d'empilement de tout alliage souhaité -6- et par comparaison déterminer si son alliage qu'il a l'intention d'utiliser a l'énergie de défaut d'empilement requise Cet alliage est l'alliage décrit sous la désignation alliage 607 dans le tableau 1, qui donne également la composition de divers autres alliages dont on parlera dans la présente description. En plus d'indiquer qu'une énergie de défaut d'empilement sensiblement modérée à élevée est nécessaire, une énergie de défaut d'empilement supérieure à l'énergie de défaut d'empilement de l'alliage 607, on peut affirmer que plus d'environ 6 % de molybdène semble nécessaire dans l'alliage pour obtenir l'énergie de défaut d'empilement souhaitée Il semble que l'intervalle de compositions large de 6-18 % de molybdène, 010 % de chrome, 3-10 % d'aluminium, 0-10 % de tungstène, 0-6 % de tantale, 0-6 % de niobium englobe les alliages qui sont utiles pour la présente invention En outre il semble que l'équation du type X = 2 M 4 o + Ta+ Nb+ 1,5 Al permet de prédire (très) approximativement si l'alliage convient pour être utilisé pour la présente invention et que les alliages pour lesquels la valeur de l'équation se situe entre environ 40 à environ auront en général l'énergie de défaut d'empilement requise. L'alliage de départ peut être sous forme de poudre o d'alliage coulé Les diverses étapes requises du procédé pour arriver au produit final sont montrées dans la figure 2 Si la matière est sous forme de poudre, la première étape consiste à disposer la poudre dans un récipient en métal déformable sous vide Cependant, si on part d'un lingot, cette étape n'est pas nécessaire. L'étape suivante alors consiste à déformer la matière d'une manière axisymétrique à une température et avec une valeur de déformation qui produira la texture singulière ( 111 > souhaitée Si la matière de départ est sous forme de poudre, la déformation consolidera également et liera la poudre en un corps solide L'expression déformation f 533232 -7 axisymétrique décrit un procédé de déformation qui est symétrique autour d' un axe Par exemple l'extrusion, l'étirage et l'emboutissage sont en général des procédés de déformation axisymétrique L'axe autour duquel la déformation est mise en oeuvre correspondra à l'axe le long duquel la texture sera développé. En revenant à la figure 1, le comportement de l'alliage 185 est un exemple type du comportement d'alliage pour lequel la présente invention est applicable de sorte que la déformation a des températures proches mais inférbures à la température solvus de la phase gamma prime est nécessaire, et que l'augmentation du taux d'extrusion permettra d'agir davantage en-dessous de la température solvus de la phase gamma prime tout en produisant la texture souhaitée sion total dépassant 10:1, et de préférence dépassant :1, semble être nécessaire pour obtenir une texture à orientation préférée (lorsque la matière de départ est sous forme de poudre, des taux d'extrusion plus élevés sont préférés). L'étape initiale de déformation est une étape de déformation à chaud conçue pour produire une texture singulière La seconde étape est une étape de déformation à froid qui intensifie la texture O De nouveau, l'étape de déformation à froid est une opération axisymétrique (extrusion, emboutissage, ou étirage), et est mise en oeuvre en-dessous de 2600 C La quantité de déforma- tion requise au cours de l'étape de déformation à froid, sera équivalente à celle qui produirait une diminution de % de la section transversale ou davantage L'article obtenu aura une densité de texture elll> dans la direction axiale qui sera d'au moins 5 fois celle qui est observée dans une matière non texturée. La figure 3 est une graphique montrant le module de Young des alliages 103 et 185 (qui satisfont aux critères pour la présente invention) qui ont été traités selon la présente invention et avec une courbe -8 pour l'alliage 185 traité d'une manière qui résulte essentiellementen une texture aléatoire Par comparaison, une courbe montrant le module de PWA 733 qui est habituellement une matière utilisée pour un arbre en acier est également présentée On peut voir que sur un domaine de températures jusqu'à 3160 C, la matière texturée produite selon la présente invention représente une amélioration substantielle du module de Young par rapport à une matière de la technique connue aussi bien qu'une matière non- texturée. On pourrait penser qu'en favorisant la texture dans la direction axiale on pourrait nuire aux autres propriétés de la matière, par exemple les propriétés de cisaillement de la matière La figure 4 montre le module de cisaillement de l'alliage 185 texturé, de nouveau par comparaison avec lamatière à base de fer PWA 733 connue dans la technique On peut voir que sur un domaine de tempéra- turesjusqu'à 3160 C la matière texturée présente un module de cisaillement supérieur et que la supériorité du module de cisaillement augmente avec l'augmentation de la tempéra- ture. Dans des applications pour machines rotatives, le caractère significatif de nombreuses propriétés de la matière était influencé par la densité Dans le but de comparer les propriétés de différentes matières, il est habituel de normaliser la propriété en divisant par la densité La figure 5 montre la densité relative de l'allia- ge de la technique connue PWA 733, des alliages 185 et 103 et on peut voir que les alliages 185 et 103 sont plus denses que la matière à base de fer connue dans la technique. Cependant, lorsqu'on divise le module d'élasticité par la densité soit à température ambiante soit à 288 OC, on peut voir que les alliages selon l'invention présentent uon avantage d'au moins 10 % du module d'élasticité normalisé par sa densité, et sous certaines conditions, une améliora- tion jusqu'à 23 % dans le module d'élasticité normalisé 9 - par sa densité. En plus des propriétés de-la matière montrées dans les figures précédentes, des essais expérimentaux ont montré que les alliages tels que l'alliage 185 selon la présente invention présentent une amélioration substan- tielle des propriétés de fatigue par comparaison a la matière connue dans la technique, qu'ils ont un coefficient de dilatation thermique qui est exactement égal au coeffi- cient de dilatation thermique de matières en acier utilisées pour produire les paliers de sorte que sur un grand domaine de températures, l'ajustement au palier et le rendement ne doivent pas être influencés, et les matières ont de bonnes propriétés de résistance à la tension sur un grand domaine de températures que l'on rencontre au cours de leur utilisation. Par conséquent, la présente invention comprend une classe de matières qui peut être traitée selon un schéma particulier de façon à produire des arbres ayant un module d'élasticité élevé dans la direction axiale et par conséquent ayant une texture matière orientée de manière aléatoire. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées aux articles qui viennent d'être décrits unique- ment à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. Tableau I Composition nominale de l'alliage (% en poids) W 9,46 6,25 Cr C 0,04 9,16 0,05 0,04 0,04 0,95 0,45 B Zr V Mn Ni Compl. Compl. Compl. 0,01 Compl. 0,04 0,35 0,55 Compl. * en dehors des limites de l'invention ** compositions limites Alliage 116 * 607 ** PWA 733 * Mo 14,4 14,4 0,55 A 1 6,8 8,33 6,8 6,6 Fe I CD tn w w ru 1 2533232 Revendications: 1 Article caractérisé en ce qu'il comprend un alliage d'une phase de durcissement du type gamma prime, cet alliage ayant une énergie de défaut d'empilement modérée à élevée, cet article ayant une texture qui est au moins cinq fois la texture aléatoire, le long d'un axe particulier et un module d'élasticité élevé le long du même axe. 2 Article selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage a une composition consistant essentiel- lement en 6-18 % de molybdène, 0-10 % de chromeg 3-10 % d'aluminium, 0-10 % de tungstène, 0-6 % de tantale, 0-6 % de niobiumg le complément étant essentiellement du nickel 3 Procédé de fabrication d'un article selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, ayant un module d'élasticité élevé le long d'un certain axe caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une matière de départ en alliage à base de nickel ayant une énergie de défaut d'em- pilement modérée à élevée et contenant au moins environ % en volume de phase du type gamma primeb déformer & chaud la matière d'une manière axisymétrique autour de l'axe le long duquel un module d'élasticité élevé est souhaité pour produire une texture singulière le long de cet axes déformer à chaud la matière d'une manière axysymétri- que autour de l'axe le long duquel un module d'élasticité élevé est souhaité de sorte que la texture orientation aléatoire et il en résulte un module d'élasti- cité augmenté le long de l'axe souhaitér 4 Procédé selon la revendication 3 e caractérisé en ce que l'alliage a une composition consistant essentielle- ment en 6-18 % de molybdène, 0-10 % de chrome, 2-10 % d'alu- minium, 0-10 % de tungstène, 0-6 % de tantale, 0-6 % de nio- bium, le complément étant essentiellement du nickel 12 - Procédé selon la revendication 3, caractérise en ce que la matière de départ est sous forme de poudre et est disposée dans un conteneur déformable et est soumise à une extrusion à chaud selon un taux d'extrusion dépassant 15:1.