Brevet FR2546909A1 — publié le 19841207

La présente invention concerne un procédé de traite- ment thermique d'articles en superalliage à structure mono- cristalline pour améliorer leurspropriétésmécaniques. Les superalliages sont des matières métalliques, habituellement à base de nickel ou de cobalt, qui ont des propriétés utiles à des températures de l'ordre de 7600 C et au-delà Les superalliages les plus habituellement grande utilisées sont à base de nickel et la plus/partie de leur résistance provient de la formation d'une phase de précipité à base de Ni 3 M o M est Al ou Ti Les propriétés mécaniques sont fortement influencées par la morphologie de la phase gamma prime De tels alliages contiennent divers autres constituents, dont certains fondent à des températures relativement basses La fusion localisée est appelée fusion commençante et est souvent un facteur limitateur dans l'utilisation d'articles en superalliage Il est bien connu de soumettre des articles en superalliage moulés à un traitement thermique dans le but d'améliorer leur propriétés mécaniques Typiquement de tels traitements thermiques comprennent une étape de recuit de mise en solution au cours de laquelle l'article est chauffé jusqu'à une température supérieure à la température à laquelle la phase gamma prime est mise en solution solide. L'article est ensuite refroidi, et réchauffé à une températu- re plus basse pour une reprécipitation contrôlée de la phase gamma prime L'étape de recuit de mise en solution ne peut dépasser la température de fusion commençante La capacité de contrôler la dimension et la répartition de la phase gamma prime permet un contrôle substantiel des propriétés mécaniques Le traitement thermique appliqué à des articles à structure monocristalline est décrit dans le brevet US 4 116 723 Il est bien connu que la température de fusion commençante d'un superalliage coulé peut sous certaines conditions être augmentée par des traitements thermiques à des températures inférieures mais proches de la température de fusion commençante pendant des périodes de -2- temps suffisantes pour permettre une homogénéisation partielle des zones à bas point de fusion dans l'article. Ceci est décrit dans les brevets US No 2 798 827; 3 753 790; et 3 783 032 Aucun de ces brevets neyréfère à des articles en monocristal et tous les brevets ont comme but principal d'éviter la fusion commençante. Dans le brevet US 4 209 348 on décrit une composition d'alliage à structure monocristalline spécifi- que et un traitement thermique pour celle-ci. La présente invention concerne le traitement ther- mique d'articles en superalliage à structure monocristalli- ne Selon un mode de réalisation de l'invention, de tels articles monocristallinssont soumis à un traitement thermi- que en utilisant un cycle de traitement thermique pendant les étapes initiales o la fusion commençante se produit dans les articles soumis au traitement thermique. Pendant une étape ultérieure dans le procédé de traitement thermique unxe diffusion substantielle se produit dans l'article avec pour résultat que les effets nuisibles de la fusion commençante précédente sont essentiellement entièrement supprimés Un mode de réalisation associé est un procédé de traitement thermique pour la réparation d'articles à structure monocristalline qui ont précédemment subi une fusion commençante pendant un procédé de traitement thermique L'utilisation d'un cycle de traitement thermique similaire à celui précédemment décrit permet l'élimination substantielle des effets nuisibles et les indices d'une fusion commençante antérieure permettant ainsi l'utilisation de pièces qui autrement auraient été mises à la ferraille. Le troisième mode de réalisation de l'invention est un cycle de traitement thermique pour une composition d'arti- cles à structure monocristalline largement utilisées ayant une composition nominale de 10 % Cr, 5 % Al, 1,5 % Ti, 4 % W, 12 % Ta, 5 % Co, le complément étant essentiellement du nickel. Des articles ayant cette composition peuvent être soumis avec succès à un traitement thermique avec un taux de -3- rejet essentiellement égal à 0, en utilisant une étape de traitement initial à environ 1 260 C suivi par un chauffage contrôlé à environ 12820 C suivi par un chauffage contrôlé à une vitesse moindre jusqu'à environ 128800 avec un temps de séjour à 12880 C d'environ deux heures suivi par un traitement thermique contrôlé jusqu'à une température d'environ 13020 C avec maintien à 13020 C durant environ 30 minutes suivi par un refroidissement contrôlé à une vitesse dépassant environ 55 C par minute jusqu'à une température inférieure à 10930 C L'utilisation de ce cycle réduit le taux de rejet depuis une valeur d'environ 40 % rencontrée avec les cycles de traitement thermique de l'état de la technique jusqu'à moins de 2 % et permet des modifications de la composition ce qui résulte en une augmentation des propriétés mécaniques. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 représente un traitement thermique connu dans la technique; la figure 2 représente un traitement thermique selon la présente invention; la figure 3 est une microphotographie montrant l'effet de la fusion commençante sur un monocristal de superalliage de nickel; la figure 4 est une microphotographie montrant que les effets de la fusion commençante dans des monocristaux peuvent être éliminés; la figure 5 représente un traitement thermique pour réparer des monocristaux ayant subi précédemment une fusion commençante; et la figure 6 représente un traitement thermique particulier pour un monocristal de composition spécifique. La figure 1 montre la variation du point de fusion commençante pendant le déroulement du traitement thermique tel qu'elle est suggérée dans l'état de la technique notamment dans les brevets US No 2 798 827; 3 753790 et 4- 3 783032 Comme il est montré dans la figure 1 avec le temps à température et l'augmentation de la température, la température de fusion commençante (I M T) augmente, mais à tout moment, la température du traitement thermique reste inférieure à la température de fusion commençante. L'augmentation de la température de fusion commençante e Stle résultat de la diffusion et de l'homogénéisation des phases de l'alliage à bas point de fusion. On a trouvé que dans le cas des monocristaux, la température de fusion commençante peut être dépassée pendant le cours d'un traitement thermique sans effet nuisible permanent, à condition que le temps et la tempé- rature du restant du traitement thermique sont suffisantes pour réparer les dégats causés par la fusion commençante qui s'est produite On doit remarquer que cette possibiité est limitée aux monocristaux Dans une matière polycristal- line, soit une matière équiaxe, soit une matière à solidi- fication orientée, toute fusion commençante qui se produit, se produira largement auxlimites de grains et lorsqu'une fusion commençante se produit aux limites de grains, les effets nuisibles de la fusion commençante ne peuvent être récupérés par un traitement thermique ulté- rieur Donc, l'observation et les avantages de l'invention sont limités aux cas des monocristaux qui bien entendu n'ont pas de limites de grains internes. Un aspect de l'invention est représenté dans la figure 2 La figure 2 montre un cycle de traitement ther- mique similaire à celui montré dans la figure 1, à l'excep- tion que pendant le cours du cycle de traitement thermique, la température des articles traités dépasse la température de fusion commençante Au point du cycle o la température de l'article dépasse la température de fusion commençante, une certaine fusion commençante se produira A condition que l'article soit un monocristal et à condition que la partie du cycle de traitement thermique ultérieure à la température de fusion commençante soit mise en oeuvre -5- à la température et en un temps convenables on a trouvé que les effets nuisibles de la fusion commençante peuvent être complètement supprimés de l'article L'effet de réparation d'un traitement thermique de recuit de mise en solution adéquat sur un article en superalliage à structure mono- cristalline peut être vu dans les figures 3 et 4 La figure 3 est une microphotographie d'un article à structure mono- cristalline en superalliage à base de nickel après exposi- tion à une température de 13020 C durant deux heures Etant donné que la température de fusion commençante de cet alliage à l'état coulé est d'environ 1293 12960 C, une fusion commençante s'est produite et peut clairement être vue dans la microphotographie La figure 4 est une microphotographie avec la même magnitude du même alliage qui a subi une fusion commençante à 13020 C et ensuite a subi un traitement thermique de réparation La figure 4 montre clairement que les signes de la fusion commençante ont été complètement supprimées Les mesures des propriétés mécaniques confirment que la fusion commençante antérieure n'a pas provoqué de dégâts permanents sur ces propriétés après qu'ils aient été soumis à un traitement thermique convenable. Donc, il y a au moins deux aspects principaux dans cette invention Le premier aspect est l'utilisation d'un traitement thermique de recuit de mise en solution qui intentionellement provoque une fusion commençante associée à une réparation ultérieure des dégâts provoqués. Ceci permet l'utilisation de traitementsthermiquesplus courts à des températures plus élevées sans tenir compte de la fusion commençante Ainsi qu'on le commentera ci-dessous, l'utilisation de températures plus élevées peut augmenter des propriétés mécaniques et la suppression de devoir tenir compte de la fusion commençante peut permettre des changements de composition avec des résistances encore plus élevées Le second aspect de l'invention est la réparation d'articles à structure monocristalline qui -6- précédemment ont subi une fusion commençante. En ce qui concerne le premier aspect, l'utilisa- tion d'un cycle de traitement thermique a plusieurs étapes qui délibérément produit un certain degré de fusion commençante, les étapes requises dans le cycle de traite- ment thermique sont que l'alliage soit à une température inférieure mais à moins de 140 C de sa température de fusion commençante et soit maintenu en-dessous de la température de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour obtenir une quantité substantielle d'homogénéisation de l'alliage On augmente alors la température jusqu'à une température supérieure à sa température de fusion commençante provoquant ainsi une fusion commençante de l'article en alliage, de préférence moins de 50 en volume et on maintient l'article à une température au-delà de la température de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour provoquer l'augmentation de la température de fusion commençante de l'alliage jusqu'à une valeur au-delà de la température à laquelle l'article en alliage est maintenu pendant une période de temps suffisante pour provoquer une réparation substantielle des dégâts causés par la fusion commençante produite précédemment. Le second aspect de l'invention est l'utilisation d'un traitement thermiqueparétapespour réparer les dégâts au monocristal causéspar le traitement thermique précédent au-dessus de la température de fusion commençante. Dans cette situation, l'article ayant subi une fusion commençante est maintenu à une température inférieure mais à moins de 140 C de sa température de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour obtenir une quantité significative (par exemple 50 % en volume) d'homogénéisation et une réparation partielle des dégats causés par la fusion commençante La température est augmentée jusqu'à une valeur audelà de la température de fusion commençante réelle et maintenue à cette température -7- pendant une période de temps suffisante pour provoquer une augmentation de la température de fusion commençante jusqu'à une température au-dessus de la température de maintien L'article est maintenu à cette température pendant une période de temps suffisante pour provoquer une homogénéisation supplémentaire et une réparation de dégâts provoqués par la fusion commençante antérieure Le traite- ment thermique est décrit dans la figure 5. Dans le brevet US No 4 208 348 on décrit une composition de superalliage en monocristal à base de nickel et un article ayant une combinaison hautement souhaitable de propriétésmécaniqueset une résistance à l'oxydation et la corrosion aux températures élevées La composition de l'article estenviron 8 à environ 12 % chrome, environ 4,5 à environ 5,5 % aluminium, environ 1 à environ 2 % de titane, environ 3 à environ 5 % de tungstène, environ 10 à environ 14 % de tantale, environ 3 à environ 7 % de cobalt, le complément étant-essentiellement du nickel o tous les pourcentages sont exprimés en poids Ceci est la composition des échantillons montrés dans les figures 3 et 4 La figure 6 montre un cycle de traitement thermique qui a été dévelop- pé pour produire des propriétés mécaniques maximum dans cet alliage L'alliage dans son état coulé a une température de fusion commençante de 1293 1296 OC, bien qu'on admettra que des différences dans les procédés de solidification peuvent provoquer de légères différences dans la température de fusion commençante et que même dans la même pièce des différencesde la dimension de la section transversale peuvent résulter en des différences minimes dans la tempé- rature de fusion commençante Ainsi qu'il est montré dans la figure 6, l'article est initialement chauffé à une température de 1260 + 140 C et maintenu à cette température pendant au moins 30 minutes Ce traitement initial aide à garantir que les parties sont à une température uniforme. Les pièces sont ensuites chauffées jusqu'à une température de 12820 C + 6 C et à une vitesse d'environ 0,30-1,10 C par -8 - minute et depuis 12820 C sont chauffées jusqu'à une températu- re de 12880 C + 30 C à une vitesse plus lente d'environ 6 + 3 OC par heure Ces pièces sont maintenues à 12880 C pendant une période de temps de 2 + 1 heure et ensuite chauffées jusqu'à une température de 1290 + 60 C et à une vitesse d'environ 0,06 0,60 C par minute Les pièces sont maintenues à 13020 C pendant une période d'environ 15 -60 minutes et sont ensuite refroidies jusqu'à une température inférieure à 538 C à une vitesse dépassant 55 C par minute. La vitesse de refroidissement finale joue un rôle important pour produire une morphologie gamma prime optimum. Lorsque des pièces de cette composition ont été testées initialement, un traitement thermique à une étape de recuit de mise en solution à 12820 C a été mis en oeuvre dans le but d'éviter la fusion des parties dues à des fluctuations de température et des variations de température de fusion commençante dans les parties La valeur minimum utilisée dans des buts de design pour l'application prévue était un minimum de 10 heures jusqu'à limite de fluage de 1 % et 36 heures de durée de vie jusqu'à rupture lorsquëlles sonttesiéesà 9820 C avec une charge appliquée de 248,2 M Pa. Lorsque les parties ont subi un traitement thermique de recuit de mise en solution en une étape à 12880 C, la durée jusqu'à limite de fluage de 1 % sous ces conditions heures d'essaisest typiquement inférieure à 9 /et la durée de vie heures jusqu'à rupture typique était de 40 / En outre des taux de rejets jusqu'à 40 % ont été rencontrés Ces résultats n'étaient pas satisfaisants et ont conduit à la présente invention Lorsque la présente invention était utilisée avec un cycle spécifique montré dans la figure 6, avec une température maximum à 13020 C, la durée jusqu'à limite de fluage de 1 % était augmentée depuis typiquement moins de 9 heures à environ 23 heures et la durée de vie jusqu'à rupture était augmentée depuis environ 40 heures jusqu'à 74 heures sous des conditions d'essais de 9820 C / 248,2 M Pa. Le domaine de composition pour l'alliage permet -9- au total de l'aluminium et du titane de se situer entre ,5 à 7,5 % en poids Les caractéristiques initiales de production ajoutaient la nécessitéque la somme d'alu- minium et de titane se trouve entre 6 et 7 pourcents. Cependant, les problèmes dus à la fusion commençante rendaient nécessaire de limiter la quantité d'aluminium et de titane entre 6 et 6,2 % étant donné que des valeurs plus élevées d'aluminium et de titane augmentaient le problème de la fusion commençante Etant donné que l'aluminium et le titane formetla phase gamma prime qui est en grande partie responsable de la résistance de l'alliage, la restriction de l'aluminium et du titane à la limite inférieure de l'intervalle réduit les propriétés mécaniques potentielles de la matière et dimi- nue sensiblement les avantages attribués à la composition et à la structure monocristalline Par l'utilisation de la présente invention on a trouvé que la teneur en aluminium et titane pouvait aisément être augmentée jusqu'à plus de 6,6 % La signification de ceci sera appreciée en remarquant qu'une composition d'alliage ayant (Al + Ti) égale à 6,03 % avait une résistance à l'allongement à 5930 C d'environ 931 M Pa alors qu'un alliage ayant (Al + Ti) égale à 6,6 % avait à 5930 C une résistance à l'allongement d'environ 1090 M Pa lorsque les deux alliages ont subi le même traitement thermique de recuit de mise en solution selon la présente invention Donc, non seulement le traitement thermique de la présente invention évite entièrement les résultats nuisibles dus à la fusion commençante mais il permet également l'utilisation de variations de résistance mécanique supérieure par rapport à la composi- tion d'alliage de départ qui produit des résistances à l'allongement de 20 % plus fortesque les compositions qui ont été utilisées précédemment dues aux problèmes de la fusion commençante Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés aui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 11 - Revendications: 1 Procédé de traitement thermique d'articles en superalliage à structure monocristalline pour obtenir des propriétés mécaniques améliorées caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: a chauffer l'article jusqu'à une température inférieure mais à monis de 14 C de la température de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour obtenir une quantité significative d'homogénéisation, b augmenter la température des articles jusqu'à une température d'au moins 30 C supérieure à la température de fusion commençante provoquant ainsi une fusion commençante dans au moins une partie des articles, c maintenir les articles au-dessus de la tempé- rature de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour obtenir une réparation substantielle de dégats dus à la fusion commençante, et d refroidir l'article à une vitesse dépassant environ 55 C /min jusqu'à une température inférieure à 10930 C. 2 Procédé pour améliorer les propriétés d'articles en superalliage à structure monocristalline qui ont d'abord été soumis à un traitement thermique sous des conditions qui ont provoqué une fusion commençante signi- ficative, cette fusion commençante étant mise en évidence par un examen de la microstructure et par des déficiences substantielles dans les propriétés mécaniques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: a) chauffer les articles jusqu'à une température inférieure mais à moins 14 C de la température de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour obtenir une quantité significative d'homogénéisation et une réparation partielle des dégâts dus à la fusion commen- çante antérieure, et pour augmenter la température de fusion commençante, b) augmenter la température des articles jusqu'à 12 - une température d'au moins 3 C au-dessus de la température de fusion commençante pour provoquer une homogénéisation supplémentaire, une réparation de dégâts dus a la fusion commençante et une augmentation de la température de la fusion commençante, c) maintenir les articles au-dessus de la tempéra- ture de fusion commençante initiale pendant une période de temps suffisante pour provoquer essentiellement une réparation complète des dégâts dus à la fusion commençante antérieure O d) refroidir l'article à une vitesse dépassant environ 550 C par minute jusqu'à une température inférieure à 1093 C de sorte que les effets nuisibles de la fusion commençante précédente sont essentiellement entièrement éliminés. 3 Procédé de traitement thermique d'un article en superalliage à structure monocristalline ayant une composi= tion de 8-12 % Cr, 4,5 -5,5 % Al, 1-2 % Tir 3-5 % W, 1014 % Ta, 3-7 % Co, le complément étant essentiellement du nickel, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de a) chauffer l'article à 12600 + 140 C et maintenir -cette temperature durant au moins une demi heure b) chauffer l'article jusquà 1282 + 6 C et à une vitesse de 0,3-1,0 C par minute, c) augmenter la température de l'article jusqu'à 1288 + 3 C a une vitesse de 6 + 3 C par heure d) maintenir l'article à 1288 + 3 C durant une période de 2 + 1 heure e) chauffer l'article jusqu'à 1290 6 C & une vitesse de 0,06 0,6 C par minute, f) maintenir l'article à 1299 + 6 OC pendant une période de 15-60 minutes et g) refroidir l'article jusqu'à moins de environ 1093 C à une vitesse dépassant environ 55 C/minute. 4 Article en superalliage à structure monocriste lin@ ayant une composition de 8 12 % Cr, 4,5 = 5,5 % Al, 1-2 %Ti, 13 - 3-5 % W, 10-14 % Ta, 3-7 % Co, le complément étant essentielle- ment du nickel qui a été soumis à un traitement complet de recuit de mise en solution, ayant une température de e fusion commençante dépassant 1302 C ehprésentant aucun signe de fusion commençanteo. Article selon la revendication 4, caractérise en ce qu'il a une teneur en Al + Ti dépassant 6,2 % en poidso