Brevet FR2635700A1 — publié le 19900302

L'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce de structure ayant une haute résistance mécani- que lui permettant de supporter des sollicitations élevées et s'applique plus spécialement à des pièces métalliques minces, allongées et de grandes dimensions, telles que les longerons de mâts porte-réacteurs dans l'industrie aéronau- tique. Pour fixer les réacteurs sur le fuselage ou sur les ailes d'un avion, on utilise des mâts qui doivent avoir des dimensions assez grandes pour maintenir le réacteur à la distance voulue de son support, tout en restant assez légers pour ne pas alourdir excessivement l'appareil. Cependant ces pièces doivent résister à des sollications mécaniques très importantes et variables et ceci, avec une sécurité par- !5 faite, étant donné qu'il s'agit de pièces d'importance vita- le. On donne donc à ces pièces une forme en trois dimensions déterminées de façon à obtenir les dimensions, le poids et la résistance voulus et à diminuer autant que possible les soudures. Dans le cas d'un mât porteréacteur, par exemple, on utilise souvent des pièces en forme de longerons consti- tués chacun d'une paroi mince de forme allongée et raidie sur ses bords par des ailes relevées qui lui donnent une section transversale en U, mais d'autres formes sont conce- vables. De plus, la pièce est constituée en un métal de composition spécifique déterminée pour résister au mieux aux diverses sollicitations mécaniques ou thermiques et à la corrosion avec un poids aussi faible que possible et on uti- lise souvent un acier allié de base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Cr-Mo. Mais en outre, pour résister dans de bonnes condi- tions et sur une longue période aux sollicitations, le métal doit avoir une structure métallurgique spécifique et notam- ment une structure à grain très fin, par exemple plus fine que l'incide 6 de I'AFNOR. Jusqu'à présent, pour répondre à l'ensemble de ces exigences, il avait semblé normal de fabriquer de telles pièces par matriçage à partir de demi-produits massifs ou d'une barre métallique de la nuance voulue au moyen d'une presse de très grande puissance. Le matriçage, en effet, est la technique utilisée généralement pour la fabrication de pièces massives répon- dant à des exigences sévères, mais la puissance de la presse dépend évidemmrnent des dimensions de la pièce à réaliser. iO Pour diminuer la puissance nécessaire, on soumet la pièce à un préchauffage permettant de diminuer la résistance à la déformation du métal. Il en résulte nécessairement une modification de la structure métallurgique et notammnent un grossissement du grain qui est ensuite atténué par le matriçage et, éventuellement, un traitement thermique. Cependant une trop grande élévation de température entraîne un tel grossissement du grain qu'il est très difficile de rétablir une structure métallurgique à grain fin et homogène dans l'ensemble de la pièce, le traitement thermique ne per- mettant pas toujours d'affiner suffisamment la taille du grain. Dans le cas o l'on doit conserver une structure très fine, il faut donc diminuer la température de préchauf- fage ce qui augmente la résistance à la déformation du métal et l'on est ainsi amené à utiliser des puissances de presse extrêmement élevées, pouvant aller jusqu'à 64 107N. De telles presses sont évidemment rares et le cot de fabrica- tion extrêmement onéreux. En outre, étant donné les dimen- sions des pièces que l'on souhalte fabriquer, une puissance de 65.000 tonnes peut être insuffisante. L'invention a donc pour objet un nouveau procédé de fabrication de pièces de structure de grandes dimensions et destinées à supporter des contraintes élevées en faisant appel à des presses de puissance moyenne, par exemple ne dépassant pas 15 107N et en garantissant-cependant le 2635700G maintien de la structure métallurgique spécifique nécessaire à l'obtention des performances demandées. Conformérrent à l'invention, on réalise tout d'abord un produit plat d'épaisseur correspondant sensible- ment à celle de la pièce, par laminage d'une ébauche consti- tuée d'un alliage de composition voulue, en réglant les conditions de laminage de façon à donner audit produit, dès cette étape, la structure rmétallurgique spécifique de la pièce, on découpe ensuite dans ledit produit plat au moins un flan de profil déterminé en fonction de la forme à obte- nir et l'on soumet enfin ce flan à un formage à la presse, du type emboutissage, pour l'obtention de la forme en trois dimensions voulues, la température du métal étant limitée, pendant toute l'opération de formage, à un niveau suffisam- i5 ment bas pour que la structure rmétallurgique spécifique ob- tenue par le laminage ne soit pas sensiblement modifiée. L'invention ?'applique spécialement à la réalisa- tion de pièces constituées en acier allié ou en alliage aus- ténitique de base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Cr-Mo. Généralement, après déformation, la pièce sera soumise à un traitement thermique final susceptible de pré- server la finesse du grain rmétallique. Dans le cas o le procédé est appliqué à une pièce en un acier fortement allié, par exemple dont la teneur la plus forte en élérrents d'addition dépasse 5%, le traitement thermique final sera un traitement de mise en solution du nmétal dans des conditions déterminées de façon à ne pas pro- voquer de modification de la finesse du grain obtenu par l'opération de laminage. Dans le cas o le procédé est appliqué à une pièce en acier faiblement allié, par exemple dont la teneur la plus forte en éléments d'addition ne dépasse pas 5%, le traitement thermique final sera un traitement d'austénitisa- tion adapté aux spécifications d'emploi et réglé de façon à maintenir la finesse.générale de la structure du métal, mais en adrmettant de légères modifications de la finesse du grain obtenu par l'opération de laminage. La structure rrmétallurgique désirée pourra être ob- tenue, lors du laminage, par contrôle de la température au cours des passes successives de laminage, celles-ci compre- nant de préférence une part importante, par exemple supé- rieure à 25%-de la réduction d'épaisseur réalisée, à une température relativement basse, par exemple inférieure à 950 C, ces deux paramètres dépendant de la composition de l'alliage. a En revanche, la déformation effectuée à la presse pour l'obtention de la forme souhaitée s'effectuera sans ré- duction sensible *de l'épaisseur obtenue par le laminage et pourra être selon les cas, soit un véritable emboutissage, soit même un simple pliage à la presse. L'invention se différencie donc du matriçage uti- lisé jusqu'à présent pour la réalisation de telles pièces par la manière dont on obtient, non seulement, la forme mais également la structure métallurgique exigées. Précédemment, en effet, une mêrme opération de imatriçage devait, d'une part donner à l'ébauche la forme voulue dans les trois dimensions et, en mêrme temps, rétablir autant que possible, la structure métallurgique modifiée par le préchauffage nécessaire, précisément pour rendre le ma- triçage possible. Dans la présente invention, au contraire, on ré- pond aux différentes exigences par des opérations séparées qui peuvent donc être mieux contrôlées. Tout d'abord on réalise une ébauche ayant la com- position voulue. Par le laminage, on donne ensuite à cette ébauche d'une part l'épaisseur voulue, en tenant compte simplement d'une faible réduction ultérieure, et d'autre part la struc- ture métallurgique souhaitée, dans des conditions que l'on sait contrôler. 2635700C On découpe alors un flan aux cotes demandées en longueur et en largeur. On réalise enfin la pièce définitive en la défor- mant dans la troisième dimension sans modification notable d'épaisseur et par conséquent avec une puissance de presse moyenne et à une température qui ne risque pas de modifier la structure métallurgique préalablement obtenue au laminage. Bien entendu, l'invention ne permet pas de réali- ser toutes les formes que l'on peut obtenir par matriçage, mais l'expérience montre qu'un grand nombre de pièces ainsi réalisées jusqu'à présent et en particulier les longerons de mâts porte-réacteurs ont des formes qui leur permettent d'être fabriquées par le procédé selon l'invention. En particulier, il sera possible de réaliser des pièces de structure d'épaisseur supérieure à 10 mm et dont la longueur peut être de plusieurs mètres en utilisant une presse dont la puissance ne dépasse pas 15 107N. Mais l'invention sera mieux comprise par la des- cription détaillée de plusieurs exemples en se référant aux dessins annexés. La figure I représente schématiquement l'ensemble des opérations de fabrication d'une pièce de structure selbn l'invention. La figure 2 donne à titre d'exemple la forme d'une pièce réalisée par le procédé de l'invention. Pour la réalisation d'une pièce telle que, par exemple, celle qui est représentée sur la figure 2, on pré- pare tout d'abord une ébauche plate d'épaisseur appropriée à l'ensemble du processus de fabrication de façon à obtenir finalement l'épaisseur désirée. Cette ébauche peut être ob- tenue par exemple par forgeage d'un lingot en métal de com- position appropriée ou bien par coulée directe d'un produit plat. Dans une première étape du procédé représenté schématiquement en A sur la figure 1l on procède au laminage de cette ébauche jusqu'à une épaisseur égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur recherchée pour la pièce finale. Ce laminage est réalisé par passes successives ou alternées dans une ou plusieurs cages de laminoir 10 munies des per- fectionnerments nécessaires pour régler avec précision l'ensemble des paramètres de laminage à chaque passe. Le cy- cle de laminage, notammrrrnent le nombre de passes, la réduction d'épaisseur et la température, peuvent ainsi être déterminés de façon à ce que le produit possède la structure métallur- gique spécifique exigée. En particulier, une partie de la réduction est effectuée à une température relativement bas- se, ces deux paramètres dépendant de la composition du métal. Dans un premier exemple, I'ébauche dont on parle est un lingot forgé en acier martensitique faiblement- allié, trempant à l'air, présentant par exemple l'analyse suivante: 0,35% C - 4% Ni - 1,8% Cr - 0,4% Mo. Cette ébauche, qui peut avoir une épaisseur com- prise entre 200 et 250 rrmm, est laminée en plusieurs passes jusqu'à une épaisseur comprise entre 3.0 et 35 rrm, donc avec une réduction d'épaisseur de 80 à 85%, une partie de cette réduction, d'au moins 25%, étant effectuée à moins de 950 C. La tôle I ainsi obtenue présente une structure de grains plus fine que l'indice 6 de l'AFNOR. Comme indiqué en B sur la figure 1, elle est alors découpée en un ou plusieurs flans individuels 2 dont le profil est déterminé de façon à obtenir, après emboutissage, une pièce ayant la forme dési- rée. Selon le nombre et les dimensions des pièces à fa- briquer, on peut réaliser des produits plats de dimensions telles que l'on puisse y découper, soit un seul, soit plu- sieurs flans de profil voulu. Chacun de ces flans est préchauffé à une tempéra- ture suffisante pour permettre l'emboutissage ultérieur, mais qui reste cependant assez basse pour ne pas risquer un grossissement du grain, par exemple 9000C. Chaque flan préchauffé 2 est alors embouti, comme indiqué en C, sur une presse 3 qui peut avoir une puissance modérée, par exemple de 12.000 tonnes. On obtient ainsi une pièce 20 présentant la forme souhaitée. Chacune de ces pièces 20 subit alors un traitement thermique d'austénitisation à 860 C et de revenu suivant les spécifications d'emploi. On peut ainsi réaliser une pièce constituant une partie de mât porteréacteur représentée à titre d'exemple sur la figure 2. Celle-ci a une forme allongée se rétrécis- sant légèrement à une extrémité et comprend un fond plan 4 muni sur toute sa longueur de deux bords latéraux 5, 5'. La longueur L de la pièce, même pour une puissance de 12.000 tonnes peut être de plusieurs mètres, par exemple 3,5 m, i5 sur une largeur de 1 de 40 à 50 cm, qui peut varier d'une extrémité à l'autre, l'épaisseur étant comprise entre et 35 mm. Dans un autre exemple, on part d'un lingot forte- ment allié, en acier inoxydable martensitique, dont la com- position peut être par exemple: 0,03% C - 13% Cr - 8% Ni - 2% Mo - 1% Al. Ce lingot, dont l'épaisseur peut être comprise en- tre 200 et 250 mm, est laminé en une tôle d'épaisseur 30 mn environ, donc avec une réduction d'épaisseur de l'ordre de 87%. Les conditions de laminage et notarrnmment le nombre de passes, la température du produit et le taux de réduction à chaque passe, sont réglés de façon que la tôle obtenue pré- sente une structure de grain plus fine que l'indice 6 de l'AFNOR. En particulier, une partie de la réduction d'au moins 25% doit être effectuée à une température inférieure à 950 C. La tôle ainsi laminée est alors découpée en un ou plusieurs flans ayant la forme voulue. Chaque flan est préchauffé à une température limi- tée à 9000C pour ne pas entraîner un grossissement du grain, 26'53570C cette température restant, cependant, suffisante pour per- mettre l'emboutissage ou le pliage du flan au moyen d'une presse de puissance rmodérée, par exemple 12.000 T. Chacune de ces pièces subit alors un traitement thermique de mise en solution à 920 C et de vieillissement. suivant les spécifications d'emploi. On observe que la taille du grain obtenue dans la tôle à la fin de liopération de laminage se trouve bien conservée dans la pièce terminée et qu'elle est uniforme sur toute son étendue. Mais l'invention ne se limite évidemmnent pas aux détails des deux exemples et aux modalités de fabrication qui viennent d'être décrits, et ne s'applique pas seulement à la fabrication de pièces d'aviation de ce type. i5 Par exemple, l'opération d'emboutissage peut être remplacée par toute opération de formage par déformation d'un plat ne nécessitant qu'une puissance moyenne, conmme, par exemple, un pliage à la presse. En outre, il est possi- ble de réaliser, par emboutissage des pièces de formes très diverses sans réduction notable d'épaisseur et sans nécessi- ter de puissance exceptionnelle et l'invention ne se limite donc pas à la fabrication de pièces allongées, même si celles-ci en constituent une application préférentielle. C'est ainsi que l'on a pu réaliser une hémisphère à partir d'un lingot d'acier martensitique fortement allié, préforgé à une épaisseur de 120 rrm et ayant pour composition: 0,01% C; 18% Ni; 8% CO; 5% Mo; 0,4% Ti. Cette ébauche a été laminée en une tôle épaisse de 60 rrm, donc avec une réduction d'épaisseur un peu inférieure à 73% en réalisant une partie de cette réduction d'au moins 25% à une température inférieure à 9500C. Corrme précédemment, la tôle épaisse ainsi obtenue présentait une structure de grain plus fine que l'indice 6 de I'AFNOR. Après découpage de cette tô- le en flans individuels, chacun de ceux-ci a été préchauffé à 9000C puis embouti de façon à produire un hémisphère dont le diamètre extérieur était de l'ordre de 1 met l'épaisseur de 50mm. Chacun de ces hémisphères a ensuite subit un trai- tement thermique de mise en solution à 820 C et de vieillis- sement suivant les spécifications d'emploi. On voit donc que, pour la réalisation de pièces de structures soumises à des contraintes très élevées, l'invention permet de remplacer le matricage de demi- produits massifs au moyen d'une presse très puissante par un laminage, un découpage et un emboutissage ou un pliage sur une presse de puissance moyenne, la finesse du grain pouvant être parfaitement contrôlée pendant l'opération de laminage et conservée grâce à la limitation de la température de pré- chauffage pour l'emboutissage, ce qui améliore la fiabilité des pièces ainsi réalisées. REVENDICATIONS i. Procédé de réalisation d'une pièce de structure destinée à supporter des sollicitations élevées et possé- dant, à cet effet, une forme déterminée en trois dimensions et une structure métallurgique spécifique, ladite pièce étant constituée d'une paroi de faible épaisseur par rapport aux autres diriensions et réalisée par déformation à la pres- se d'une ébauche d'épaisseur convenable, caractérisé par le fait que l'on réalise tout d'abord un 0 produit plat (1) d'épaisseur correspondant sensiblement à celle de la pièce, par laminage d'une ébauche constituée d'un alliage de composition voulue, en réglant les condi- tions de laminage de façon à donner audit produit, dès cette étape, la structure métallurgique spécifique de la pièce, quel'on découpe ensuite dans ledit produit plat (1) au moins un flan (2) de profil déterminé en fonction de la forme à obtenir et que l'on soumet enfin ce flan (2) à une déforma- tion à la presse du type emboutissage pour l'obtention d'une pièce (20) présentant la forme en trois dimensions vou- lues, la température du métal étant limitée, pendant toute l'opération à un niveau suffisarrrnment bas pour que la struc- ture métallurgique spécifique obtenue par le laminage ne soit pas sensiblement modifiée. 2. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ébauche est constituée en un acier allié ou en un alliage austénitique de base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Cr-Mo. 3. Procédé de réalisation d'une pièce de structure' selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé par le fait que la structure' métallurgique spécifique est une structure à taille de grain très fine, par exemple infé- rieure à l'indice 6 de l'AFNOR. 4. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la température de déformation du flan est limitée à un niveau suffisamment bas pour ne pas entralner de grossissement du grain et que, après déformation, la pièce est soumise à un traitement thermique final susceptible de préserver la fi- nesse du grain métallique. 5. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est appli- qué à une pièce en un acier fortement allié, par exemple dont la teneur la plus forte en élément d'addition dépasse % et que le traitement thermique final est un traitement de mise en solution du métal dans des conditions déterminées de façon à ne pas provoquer de modification de la finesse du grain obtenue par l'opération de laminage. 6. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il est appliqué à une pièce en un acier faiblement allié, par exem, ple dont la teneur la plus forte en éléments d'addition ne dépasse pas 5% et que le traitement thermique final est un traitement d'austénitisation adapté aux spécifications d'emploi et réglé de façon à maintenir la finesse générale de la structure du métal en admettant cependant de légères modifications de la finesse du grain obtenue par l'opération de laminage. 7. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise la structure ra-tallurgique désirée notamment par contrôle de la température au cours des opérations de laminage du produit plat dans lequel on découpe ensuite le ou les flans à emboutir. 8. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 7, caractérisé par le fait que, lors du laminage, on réalise une partie importante de la réduc- tion d'épaisseur à une température relativement basse, cette proportion et cette température dépendant de la composition de l'alliage. 9. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 8, caractérisé par le fait que, lors du laminage, au moins 25% de la réduction d'épaisseur est effectué à une température inférieure à 950 C. iO. Procédé de réalisation d'une pièce de structu- re caractérisé par le fait que l'on réalise une pièce (20) d'épaisseur supérieure à 10 rmn et dont le longueur peut être de plusieurs mètres. 11. Procédé de réalisation d'une pièce de structu- re selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la déformation peut être réalisée sur une presse (3) dont la puissance ne dépasse pas 15 107N. 12. Procédé de réalisation d'une pièce de structu- re selon l'une des revendications prédédentes, caractérisé par le fait que l'opération de déformation est un simple pliage à la presse.