Brevet FR2659088A1 — publié le 19910906

La présente invention concerne la formation de structures présentant plusieurs compositions d'alliage Plus particulièrement, l'invention est relative à un procédé pour former des disques ayant leur partie intérieure en alliage d'une certaine composition et leur périphérie en alliage d'une composition différente. L'objet de l'invention est étroitement lié aux demandes de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 487 095, 487 511 qu'on incorpore ici à titre de référence. On sait que les superalliages, dont les superalliages à base de nickel et à base de fer, ont fait l'objet d'un emploi intense dans les applications néces- sitant une résistance élevée aux hautes températures La réalisation des moteurs à réaction a été déterminée en grande partie par les propriétés que peuvent présenter les superalliages employés comme matériaux pour la fabrication de leurs composants Avec les perfectionnements apportés aux propriétés des alliages, on améliore la conception d'un moteur à réaction et on obtient des rapports plus élevés entre poussée et poids En général, un fonctionnement à température plus élevée se traduit par une meilleure effica- cité du carburant pour les moteurs de ce type, et l'obten- tion de températures de fonctionnement plus élevées et de superalliages pouvant être employés à ces températures est 2 - un critère d'étude permanent pour la fabrication de moteurs à réaction de plus en plus efficaces La nécessité d'avoir des superalliages de haute résistance mécanique pouvant fonctionner à des températures de plus en plus élevées est toujours présente car on continue a améliorer les per- formances de fonctionnement des moteurs à réaction. Les nombreux progrès faits en métallurgie ont aidé à l'amélioration des superalliages de résistance mécanique élevée Ceux-ci concernent l'augmentation de la fraction volumique en précipité pour l'agent de renforcement du précipité gamma prime de tels alliages De plus, on a obtenu des améliorations grâce à la métallurgie des poudres et à l'emploi du forgeage isothermique Les améliorations appor- tées à la tenue aux hautes températures des superalliages ont été obtenues de cette façon On a également admis que tous les composants d'un moteur à réaction ne sont pas soumis aux mêmes conditions de fonctionnement et qu'on peut employer des compositions métallurgiques différentes dans les divers composants du moteur pour mieux satisfaire les besoins de ces composants. Il existe des pièces o l'on a dû faire des com- promis dans les propriétés car la pièce est suffisamment grande pour que les conditions de fonctionnement du moteur, dans toute l'étendue de la pièce, ne soient pas uniformes. En d'autres termes, certaines grosses pièces d'un moteur rencontrent des températures différentes et doivent satis- faire des propriétés et des services divers entre une partie du composant et l'autre Par conséquent, pour les gros composants de cette sorte, il est nécessaire de sacrifier une propriété dans un endroit du composant pour obtenir une propriété acceptable dans un autre emplacement De telles propriétés différentes sont nécessaires, par exemple, dans les disques des moteurs tournant à des vitesses élevées de 12000 t/min et davantage, lesquelles se traduisent par l'application de contraintes élevées à des parties du disque et en particulier à ses portions extérieures. Pour compenser les impératifs différents en ma- tière de propriétés pour les diverses parties du disque, on a mis au point des agencements et des procédés pour conférer des combinaisons désirables des propriétés aux parties intérieures et extérieures des disques Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 4 820 358 divulgue un procédé dans lequel un disque constitué d'un seul alliage peut se voir conférer des propriétés différentes à sa partie intérieure, ou noyau, par contraste avec sa partie exté- rieure, ou périphérie L'obtention de propriétés différentes dans les diverses parties du disque constitue un résultat appréciable. On a procédé à d'autres tentatives pour former la partie intérieure d'un disque avec un alliage et sa partie extérieure avec un alliage différent Cependant, des pro- blèmes ont vu le jour là o l'on essaie de réunir les deux alliages S'il existe des couches d'oxyde à la frontière, il est difficile d'avoir l'assurance qu'une soudure déjà effec- tuée ne pâtit pas de la présence de l'oxyde et ne laisse pas une zone de faiblesse dans le disque La détection des pailles dans de telles soudures entre une partie intérieure et une partie extérieure d'un disque est difficile à effec- tuer. Le procédé de la présente invention a pour objet de résoudre le problème de la présence d'une couche d'oxyde pouvant provoquer des points de faiblesse ou des soudures imparfaites entre les parties intérieure et extérieure d'un disque en alliage, lorsque ces parties intérieure et exté- rieure sont constituée d'alliages différents. Par conséquent, la présente invention a pour objet un procédé pour former un disque composite comportant deux alliages différents ou davantage dans ses parties intérieure et extérieure. L'invention a pour autre objet une structure dans 4 - laquelle deux alliages sont réunis sans couche importante d'oxyde entre eux. L'invention a pour autre objet un procédé pour former une préforme d'un disque dans lequel sont disposés deux métaux différents. L'invention a encore pour objet une structure de disque dans laquelle deux alliages différents sont présents dans ses parties intérieure et extérieure. Dans l'un de ses aspects les plus larges, l'objet de la présente invention peut être atteint en fournissant un dispositif de formage par projection dans lequel un premier métal circule sous forme d'un courant entre un premier creuset et une zone d'atomisation Le premier métal est atomisé dans la zone et déposé par projection sur un mandrin tournant afin de former une première couche d'une préforme sur le mandrin La projection du premier métal pour consti- tuer une préforme sur le mandrin est continue Lorsque les dernières parties du premier métal sont présentes dans le creuset de distribution, une petite partie d'un second métal provenant d'un second creuset est versée dans le premier pour y mélanger les premier et second métaux Le dépot par pro jection se poursuit de manière à déposer par projection les métaux mélangés provenant du premier creuset sur la préforme et à continuer le dépôt de manière à augmenter le diamètre de la préforme Davantage de métal en provenance du second creuset est déversé continuellement dans le premier. Le résultat est l'élimination substantielle du premier métal provenant du premier creuset et l'établissement du volume du second métal dans ce premier creuset Cela se traduit, à son tour, par la formation d'une préforme sur le mandrin qui a le premier métal déposé directement sur le mandrin et sur les parties intérieures de la préforme et qui a le second métal lié au premier métal et formant les parties exté- rieures de la préforme. La suite de la description se réfère aux figures - annexées qui représentent respectivement: figure 1, une illustration schématique de l'agen- cement d'un mandrin d'une préforme, d'un creuset d'atomisa- tion et d'un second creuset; figure 2, une illustration schématique semblable à celle de la figure 1 mais représentant le déversement du métal du second creuset dans le premier; et figure 3, une illustration dans laquelle le pour- centage en volume du premier métal et le pourcentage en volume du second métal présent dans le premier creuset sont représentés graphiquement en fonction du temps comme ordon- née. On sait qu'un lien microstructurel est souvent difficile à obtenir lorsqu'on applique une seconde composi- tion à un substrat à cause de la présence d'une couche d'oxyde, de l'absence de propreté, ou de l'inaptitude à obtenir une régulation optimum de la température de la pièce devant être revêtue. Des couches d'oxyde se forment très rapidement, en particulier sur un métal qui est traité à haute température, et peuvent gêner la formation d'un lien désirable entre un substrat, ou une couche formée sur un substrat, et une couche d'un métal appliquée ultérieurement. On a constaté qu'il est possible de surmonter cette déficience de la pratique antérieure grâce à une technique qu'on a mise au point et qui est représentée dans les figures d'accompagnement sous forme schématique. En liaison maintenant avec la figure 1, on a représenté un mandrin 10 monté, par un moyen non représenté, à l'intérieur d'une enceinte dans laquelle il peut être protégé par une atmosphère inerte Le mandrin est monté en rotation et en mouvement axial de va-et-vient de sorte qu'une projection 12 sortant d'une zone d'atomisation 14 peut former un dépôt 16 sur une certaine étendue de la surface du mandrin Le dépôt 16 se présente comme une pré- 6 - forme Une préforme et un corps de matériau de caractère et de forme adéquats de manière à permettre sa transformation ultérieure en un article tel qu'un disque, ou autre article ayant une forme désirée pour un emploi final approprié, par exemple dans un moteur d'avion. Le courant de métal à l'état fondu se déplaçant vers le bas, sort du corps 12 d'un métal liquide se trouvant à l'intérieur d'un creuset de distribution 24, ou premier creuset Un courant 18 s'écoule jusqu'à la zone d'atomisa- tion 14. Dans la zone d'atomisation 14, le courant 18 de métal à l'état fondu est atomisé par les courants d'un gaz sortant de buses 21 et dirigé de façon à entrer dans la zone d'atomisation Les sources de gaz ne sont pas représen- tées, mais il s'agit d'un gaz inerte classique formant une projection, tel que l'argon Le gaz inerte utilisé dans l'atomisation protège contre l'oxydation les gouttelettes atomisées et le dépôt projeté selon une manière classique qu'on rencontre dans les procédés de formage par projection. L'atomisation d'un métal liquide, et l'intercep- tion des gouttelettes formées par cette atomisation sur une surface solide pour former un dépôt, sont des pratiques bien connues dans la technique, qu'on appelle généralement forma- tion d'un dépôt par projection Dans le cas présent, le dépôt se présente sous la forme d'une couche 16 sur un mandrin et les dimensions, dont la largeur, la longueur, l'épaisseur, etc, de la couche, sont telles que la préforme peut être ultérieurement l'objet d'une opération mécanique pour obtenir la forme désirée, par exemple le centre ou partie intérieure d'un disque pouvant être utilisé dans une structure de moteur à réaction. Un second creuset 26 contenant un second métal 28 à l'état fondu, métal maintenu à cet état par une bobine d'induction 30 entourant le creuset, est placé à proximité du premier creuset 24 pour permettre le déversement du métal 7 - liquide 28 dans le premier creuset Cependant, en figure 1, comme cela apparaît dans la représentation schématique, le second métal 28 est maintenu à l'intérieur du creuset 26 alors que la fourniture du premier métal liquide 22 diminue jusqu'à un volume relativement petit. En figure 2, les éléments du dispositif représen- tés de façon schématique correspondent à ceux de la figure 1 et portent les mêmes numéros de référence. En figure 2, on a représenté le début du versement du contenu du second creuset 26 dans le premier pour con- tinuer l'atomisation et la formation par projection de la préforme 16 sur le mandrin 10 mais en employant un mélange du premier métal 22 déjà dans le premier creuset 24 et du second métal 28 entrant dans ce premier creuset sous forme d'un courant 32 provenant de la partie supérieure du second creuset. Le résultat du versement et de l'atomisation continue est représenté en figure 3 qu'on examinera mainte- nant En figure 3, le pourcentage en volume de l'alliage, indiqué par alliage A pour le premier et par alliage B pour le second, est représenté sous forme graphique A l'instant To, le volume en pourcent de l'alliage A dans le premier creuset ou creuset de distribution est 100 % Le pourcentage en volume de l'alliage diminue dans le temps jusqu'à un point Tb représenté par une ligne verticale en tirets A ce point, la concentration de l'alliage dans le creuset de distribution reste 100 % de l'alliage A, alors que le pour- centage en volume de l'alliage dans le creuset est tombé à une valeur bien inférieure à 50 % A ce stade, l'addition de l'alliage B commence à partir du second creuset 26, ou creuset de réserve, pour entrer dans le creuset de distribu- tion 24 Ainsi, la ligne verticale en tirets représente l'instant Tb auquel le versement de l'alliage B à partir du second creuset 26 commence Le résultat est qu'il y a dilution de l'alliage A par une certaine quantité de l'al- 8 - liage B de sorte que l'alliage s'écoulant à partir du creuset de distribution est une combinaison des alliages A et B Une dilution minimale de l'alliage A avec l'alliage B est obtenue lorsque le versement de l'alliage B dans le creuset d'atomisation est minuté de façon que le courant de métal soit ininterrompu et que le volume de l'alliage A soit faible lorsque le versement de l'alliage B commence Cette concentration de l'alliage B dans le creuset de distribution augmente jusqu'à un maximum à l'instant Td et le versement à partir du creuset 26 est achevé A l'instant Td, le creuset d'atomisation contient principalement l'alliage B bien qu'il soit très légèrement dilué avec l'alliage A, comme représenté par la ligne en tirets indiquant la concen- tration de l'alliage A après l'instant Tb Cette ligne est représentée en tirets car elle varie avec le volume précis de l'alliage A restant dans le creuset de distribution lorsque commence l'addition de l'alliage B. L'alliage B est alors atomisé pour former la composition extérieure prédominante de la pièce en cours de formation Le processus se poursuit jusqu'à l'instant Te o le creuset d'atomisation est dépourvu de métal. Un problème soulevé par la pratique du procédé de la présente invention est qu'un objectif désiré de ce pro- cédé est de fournir une préforme qui comporte principalement un métal, à savoir dans le cas représenté le métal A, for- mant la partie intérieure de la préforme et un second métal, dans le cas représenté le métal B, formant principalement la partie extérieure de la préforme En fonction de la façon avec laquelle le versement est effectué, et des caractéris- tiques particulières de l'équipement utilisé, il peut s'avérer nécessaire d'incorporer des étapes successives de versement dans le processus de manière à assurer que le premier métal, A, est épuisé dans le creuset de distribution avant que le gros du second métal, B, soit ajouté au creuset de distribution A cet effet, il peut être souhaitable de 9 - procéder à un certain nombre de petites additions volumiques de l'alliage B au creuset de distribution alors que le pourcentage en volume de l'alliage A dans le creuset est assez faible Ces petites additions peuvent avoir l'effet d'aider au drainage des dernières portions de l'alliage A du creuset de distribution avant de procéder à l'addition principale de l'alliage B dans le creuset de distribution. De plus, de telles additions peuvent avoir pour effet, et de fait assurent cet effet, que la limite entre les parties intérieure et extérieure de la préforme sont constituées d'un mélange des deux alliages, A et B, et par conséquent qu'il y a un dépôt continu par projection d'alliage sur le mandrin sans interruption et sans risque de formation d'une couche indésirable d'oxyde. Les critères pour le choix des alliages spéci- fiques destinés à être utilisés en combinaison qui ren- forcent les propriétés d'un produit, tel qu'un disque, constitué des alliages sont de deux ordres Un premier ensemble de critères concerne les propriétés recherchées dans la première partie du produit et le second ensemble les propriétés qu'on désire dans la seconde partie du produit. Dans le cas d'un disque, la première partie du produit est la partie intérieure, ou noyau Pour cette partie, il faut un alliage de résistance mécanique élevée. Un alliage tel que le René 95, alliage qu'on trouve dans le commerce, dont la composition apparaît dans les manuels classiques tels que le Metals Handbook publié par l'American Society for Metals, a une résistance élevée convenable et d'autres caractéristiques souhaitables pour son emploi dans le noyau d'un disque. De façon similaire pour la partie extérieure du disque, il faut un alliage qui présente une faible vitesse de propagation des fendillements dus à la fatigue Deux alliages présentant cette caractéristique sont les alliages dits Astroloy et Waspalloy On trouve ces deux alliages dans - le commerce, dont les compositions sont données dans les textes standard de référence, tels que le manuel sur les métaux dont il a été question ci- dessus On donne en figure 1 du brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 867 812 une informa- tion similaire sur les vitesses relatives de propagation des fendillements de ces alliages. Lorsqu'on emploie une combinaison de deux alliages de ce type, à savoir une combinaison du René 95 avec le Waspalloy ou une combinaison du René 95 avec l'Astroloy, les propriétés d'ensemble du disque formé avec ces combinaisons sont considérées comme supérieures à celles d'un disque constitué entièrement d'un seul de ces métaux On peut employer également d'autres combinaisons de ces métaux De plus, le produit constitué d'une combinaison de ces deux alliages en employant le procédé de la présente invention ne doit pas être limité à des articles ayant la forme d'un disque, mais on peut fabriquer d'autres gros articles avec le procédé de la présente invention, en particulier dans le cas o l'article a des dimensions suffisamment grandes pour devoir supporter des températures différentes ou des impéra- tifs divers en matière de caractéristiques dans certaines de ses parties. il - REVENDICATIONS 1 Procédé pour former une structure métallique concentrique constituée d'au moins deux métaux différents (A, B) caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consis- tant à: fournir un dispositif de formage par projection dans lequel un courant de métal fondu ( 18) circule entre un creuset de distribution ( 24) et une zone d'atomisation ( 12); faire écouler un gaz d'atomisation ( 20) jusque dans ladite zone afin d'atomiser le courant de métal fondu; déposer la projection de métal atomisé provenant de la zone sous forme d'une couche sur un mandrin tournant ( 10); fournir un second creuset ( 26) contenant un second métal fondu (B), verser le métal du second creuset dans le creuset de distribution alors que la dernière partie du premier métal (A) est présente dans le creuset de distribu- tion; et poursuivre le versement du second métal dans le creuset de distribution alors que le dépôt par projection de métal provenant du creuset de distribution se poursuit afin de former une couche extérieure du second métal sur la préforme ( 16). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal (A) est un superalliage à base de nickel à haute résistance mécanique. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal (A) est un superalliage à base de nickel et le second métal (B) est un superalliage à base de nickel ayant une faible vitesse de propagation des fendille- ments. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal est le métal dit René 95. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal est un superalliage à base de 12 - nickel à haute résistance mécanique et le second métal est l'alliage dit Waspalloy. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier métal est un superalliage à haute résistance mécanique et le second métal est l'alliage dit Astroloy.