Brevet FR2659581A1 — publié le 19910920

La présente invention concerne la formation de struc- tures avec une composition d'alliages variable Plus particu- lièrement, elle est relative à un procédé dans lequel on peut former des structures comportant une partie intérieure ayant une certaine composition et une partie extérieure d'une autre composition. L'invention est liée aux demandes en attente de brevet des Etats-Unis d'Amérique ayant pour numéro de série 487 094 et 487 095. On sait que les superalliages, dont les superalliages à base de nickel et à base de fer, ont fait l'objet d'un emploi intensif dans des applications nécessitant une résis- tance mécanique élevée aux hautes températures La conception des moteurs à réaction a été en grande partie déterminée par les propriétés que présentent les superalliages utilisés comme matériau de fabrication des composants du moteur. L'amélioration des propriétés des alliages permet aussi celle de la conception d'un moteur à réaction, et l'obtention de rapports plus élevés entre poussée et poids En général, le fonctionnement à haute température se traduit par une meilleure utilisation du carburant pour des moteurs decette nature et l'objectif d'employer des températures de fonction- nement plus élevées et des superalliages pouvant fonctionner à de telles températures constitue un critère permanent pour la fabrication de moteurs à réaction de plus en plus 2- efficaces La nécessité de disposer de superalliages ayant une résistance mécanique élevée lorsqu'on les emploie aux hautes températures est toujours présente car des efforts sont faits pour poursuivre l'amélioration des performances des moteurs à réaction. On a réalisé beaucoup de progrès en métallurgie dans le but d'améliorer les superalliages à résistance mécanique élevée L'un d'eux concerne l'augmentation de la fraction volumique du précipité pour l'agent de renforcement du précipité gamma prime de ces alliages De plus, on a apporté des améliorations par le biais de la métallurgie des poudres et l'utilisation du forgeage isothermique C'est de cette façon qu'on a obtenu l'amélioration de la tenue à la température des superalliages On a aussi 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 répondre aux besoins d'un composant. Il existe des pièces pour lesquelles on a fait des compromis en matière de caractéristiques car la pièce est suffisamment grande pour que les conditions de fonctionnement du moteur ne soient pas les mêmes dans toute son étendue En d'autres termes, certaines grosses pièces montées dans un moteur sont soumises à des températures différentes et à des impératifs différents en matière de propriétés et de service entre une partie de la pièce et l'autre Par conséquent, pour les gros composants de ce type, il est nécessaire de sacrifier une propriété dans un emplacement du composant de manière à obtenir une propriété acceptable dans un autre endroit De telles propriétés différentes sont nécessaires, par exemple, dans les disques de moteurs tournant à des vitesses élevées de 12000 tours/minute et plus, ce qui provoque l'application de contraintes importantes dans leurs portions extérieures. -3 - Dans le but de compenser les impératifs différents en matière de propriétés des diverses parties des disques, on a mis au point des agencements et des procédés pour conférer des combinaisons désirables de propriétés aux portions intérieure et extérieure des disques Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 820 358 concerne un procédé dans lequel un disque constitué d'un seul alliage peut présenter des propriétés différentes à sa partie intérieure par contraste à sa partie extérieure L'obtention de propriétés différentes dans les diverses parties du disque est une réalisation présentant beaucoup d'intérêt. On a consacré d'autres efforts à la formation de la partie intérieure d'un disque avec un certain alliage et de sa partie extérieure avec un autre alliage Cependant, on doit faire face à des problèmes lorsqu'on tente de réunir les deux alliages Si des couches d'oxyde sont présentes à la limite, il est difficile d'avoir l'assurance qu'une opération antérieure de soudage a triomphé de la présence de l'oxyde et n'a pas laissé 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 une opération difficile. Le procédé de la présente invention a pour objet de modifier la composition d'un alliage lors d'un traitement par projection de façon qu'une partie du dépôt obtenu par projection, avec les propriétés ainsi conférées à cette partie, ait une première composition et qu'une autre partie du dépôt, avec son ensemble différent de propriétés pour l'alliage, ait une seconde composition. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé pour former une structure composite ayant deux compositions différentes ou plus à des parties diverses de celle-ci. L'invention a pour autre objet une structure dans laquelle des portions d'alliage sont réunies sans nette -4- démarcation entre elles. La présente invention a encore pour objet un procédé pour former une préforme d'un disque présentant au moins deux compositions métalliques différentes. L'invention a aussi pour objet une structure d'alliage dans laquelle deux alliages différents sont présents dans des portions différentes. Dans l'un de ses aspects les plus larges, la présente invention a pour objet un dispositif de formation par projection dans lequel un premier métal s'écoule sous forme d'un courant entre un creuset de distribution et une zone d'atomisation Le premier métal est atomisé dans ladite zone et déposé par projection sur une surface de réception afin de former une première couche d'une préforme sur la surface La projection du premier métal afin de constituer une préforme sur la surface s'effectue en continu Lorsqu'une portion importante du premier métal est présente dans le creuset, une petite portion d'un métal supplémentaire est ajoutée au creuset de manière à mélanger les premier et second métaux et obtenir une modification de la première composition On poursuit le dépôt par projection du métal sur la préforme à partir du creuset de distribution dans le but d'agrandir la préforme mais il n'y a plus addition de métal dans le creuset de distribution Il en résulte la réalisation d'une préforme dans laquelle le premier métal est déposé sur la surface de réception et le métal modifié est lié au premier métal pour former ses portions extérieures. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une illustration schématique de l'agencement d'un mandrin, d'une préforme, et d'un creuset de distribu- tion; figure 2, une illustration schématique semblable à celle de la figure 1, mais représentant l'addition d'agents d'alliage au creuset de distribution et, - figure 3, un graphique de résultats expérimentaux représentant la variation de la concentration d'un élément d'alliage en fonction de la profondeur d'une préforme. Il existe des systèmes d'alliage qui sont sensiblement modifiés en fonction des additifs présents dans l'alliage On admet, par exemple, que certains éléments d'addition augmen- tent la résistance d'un système d'alliage de sorte qu'un alliage comportant une quantité moins grande des additifs de renforcement présente une résistance mécanique plus faible alors que le même alliage avec les additifs de renforcement dans des concentrations plus élevées a une valeur plus grande de sa résistance mécanique. D'une façon similaire, il existe des éléments modifi- cateurs qui altèrent la ductilité d'un système d'alliage de sorte qu'un alliage avec des concentrations plus faibles de l'additif de ductilisation présente une ductilité plus petite et le même alliage avec une concentration plus élevée de l'additif de ductilisation a une ductilité plus grande. La présente invention tire profit des systèmes d'al- liage qui sont soumis à une telle altération des propriétés désirées en fonction de la quantité des éléments modifica- teurs des propriétés de l'alliage tels que des agents de renforcement ou des agents de ductilisation ou d'autres agents modifiant les caractéristiques Un des agents de cette nature est indiqué dans le contexte de la présente invention. En particulier, on a constaté qu'on accroît encore la résistance élevée des superalliages et l'améliore en augmen- tant la fraction volumique du précipité pour les superal- liages renforcés par précipité gamma prime En d'autres termes, on a constaté que par l'addition spécifique d'élé- ments formant un précipité dans le but de provoquer une augmentation du contenu volumique du précipité gamma prime, on obtient un renforcement de l'alliage lui-même. Selon la présente invention, on démarre un processus de formation par projection avec un alliage employant une 6 - composition d'alliage exempte de modificateur ou présentant une valeur plus faible d'un modificateur des éléments présents et on poursuit le processus après avoir incorporé un modificateur dans la composition de l'alliage de sorte que la dernière partie de la formation s'effectue avec l'alliage modifié au lieu de l'alliage non modifié qu'on a utilisé au commencement de la projection On obtient des avantages uniques de l'utilisation d'une base à un seul alliage dans deux parties différentes d'un article formé par projection, o des propriétés différentes sont nécessaires dans deux portions différentes de l'article. Par exemple, dans le cas d'un disque, on sait qu'il faut une résistance mécanique plus élevée dans le pourtour du disque que dans sa partie centrale Par conséquent, un emploi approprié de la présente invention consiste à former par projection une préforme de disque dans laquelle sa partie centrale a une teneur en alliage de base qui présente une concentration plus faible pour certains additifs ou modifica- teurs et sa partie extérieure comporte la concentration plus élevée de l'additif ou du modificateur, là o ce modificateur ou cet additif confère une résistance mécanique supplémen- taire à la portion extérieure du disque finalement fabriqué à partir de la préforme. On décrira maintenant, en liaison avec les figures 1 et 2, la façon d'y parvenir Les résultats de l'essai effectué avec la présente invention sont ensuite décrits en liaison avec la figure 3 qui est une graphique des valeurs obtenues en utilisant la présente invention sur un système particulier d'alliage. La figure 1, est une élévation schématique, en partie en coupe, d'une opération de formation par projection telle que celle utilisée en liaison avec la présente invention A cet égard, on emploie un creuset 10, 12 comme creuset de distribution On utilise le creuset pour contenir une certaine quantité de métal liquide et pour le distribuer sous 7 - forme de courant à une zone d'atomisation se trouvant au- dessous du creuset Le creuset est de préférence segmenté, c'est-à-dire constitué d'un certain nombre de segments métalliques refroidis par eau qui sont montés sur son pourtour et forment ses parois comme des douves de tonneau. Chaque segment est isolé électriquement des segments contigus et est refroidi individuellement par de l'eau Un avantage du refroidissement par eau est de permettre la formation d'un fond de poche en métal à l'état de fusion sur l'intérieur du creuset de manière à éviter l'emprisonnement de particules de céramique dans la masse fondue Cependant, la masse fondue est maintenue à sa température de fonctionnement sous l'effet d'un ensemble de bobines à induction 14 Le caractère segmenté d'un tel creuset 12 permet au flux électrique de le pénétrer afin d'agir sur son contenu en métal liquide De cette façon, on évite certains des inconvénients de d'inclu- sion des particules de céramique comme on l'a discuté dans l'arrière-plan de la présente invention. Le courant 18 de métal liquide qui est déversé par la buse inférieure 20 du creuset 12 entre dans une zone d'atomisation 21 dans laquelle il est soumis à l'effet d'un ou de plusieurs jets de gaz d'atomisation fournis par une source, non représentée, à la buse 20. Le résultat de l'atomisation du courant liquide 18 par le gaz dans la zone 21 d'atomisation est la production d'un cône 24 de gouttelettes de métal liquide La formation du cône est de pratique normale dans la technique courante de formation par projection Les gouttelettes tombent sur une surface de réception 26 constituée d'une bande annulaire formée sur un mandrin creux 28 Le mandrin 28 est soumis par des moyens d'entraînement, non représentés, à une rotation ainsi qu'à un mouvement de va-et-vient indiqué par les flèches Ces mouvements provoquent la formation d'un couche uniforme sur la surface de réception La première partie, et dans l'illustration représentée, la partie intérieure de la préforme 26 est constituée d'un alliage qui est soumis à une modification par l'addition d'un modificateur tel qu'un agent de renforcement ou de ductilisation ou autre type d'agent. La seconde partie de la préforme, et dans l'illustra- tion représentée, la partie extérieure de celle-ci, est constituée d'un alliage qui a été modifié Il existe de nombreuses façons d'exécuter la modification de l'alliage. Essentiellement, la modification s'effectue par l'addition d'un modificateur au liquide restant dans le creuset de distribution. En liaison maintenant plus spécifique avec la figure 2, on représente de nouveau le dispositif de la figure 1 avec la préforme déposée 26 à moitié achevée En outre, la moitié environ du métal liquide 16 a été évacuée du creuset 10 A ce stade, on ajoute une charge d'un modificateur 32 avec un moyen commode tel qu'une écope ou une sonde 30 On peut ajouter le modificateur sous forme liquide ou sous forme d'une poudre solide ou sous toute autre forme qui se dissoudra facilement dans le corps liquide 16 à l'intérieur du creuset 10 La bobine de chauffage 14 agit sur le liquide se trouvant à l'intérieur du creuset pour non-seulement le chauffer mais aussi pour l'agiter de sorte qu'il y a une action continue d'agitation et que le modificateur ajouté 32 est rapidement remué, mélangé et dissous dans le métal liquide 16 à l'intérieur du creuset 10. On se reportera maintenant à la figure 3 La figure 3 est un graphique des résultats obtenus lors d'une expérience faite en utilisant un alliage qui pouvait être modifié par l'addition d'aluminium suivant un pourcentage en poids relativement petit. On a effectué l'expérience en formant tout d'abord la première moitié ou moitié intérieure de la préforme 26 en employant un alliage présentant un faible volume en pourcent d'une microstructure gamma prime A un instant déterminé de l'atomisation, on a plongé une quantité connue d'aluminium dans le reste du bain du métal à l'état fondu En quelques secondes, la composition du bain a changé pour passer d'un 9 - alliage à faible teneur en gamma prime à un alliage ayant une teneur élevée en gamma prime La courbe de la figure 3 indique la variation de la concentration en aluminium de l'alliage en fonction de l'épaisseur de la préforme indiquée en abscisse Comme cela apparait dans la figure, la concen- tration pondérale initiale de l'aluminium était d'environ 2,2 et cette concentration était présente dans la préforme jusqu'à une épaisseur d'environ 38 mm A ce stade, on a ajouté de l'aluminium et, comme cela apparaît dans la courbe, cette addition s'est traduite par une augmentation importante de la teneur en aluminium de l'alliage à une épaisseur d'environ 43 mm Pour l'alliage à une profondeur ou à une épaisseur d'environ 50 mm, la teneur en aluminium s'est élevée à environ 4 % en poids La concentration de l'aluminium dans l'alliage s'est maintenue à environ 4 % en poids pendant le reste de l'essai. On a représenté deux essais en figure 3, lesquels sont respectivement indiqués par les références 1 et 2. Bien que dans l'exemple donné à titre d'illustration, on ait ajouté de l'aluminium à une masse fondue de manière à faire varier la teneur en gamma prime de la préforme pendant l'atomisation, on remarquera qu'on peut également ajouter d'autres éléments de modification à un système d'alliage afin de changer les propriétés d'un dépôt par projection dans une partie par rapport à une autre Par exemple, il est envisagé de dissoudre d'autres éléments tels que le tantale ou des alliages maîtres dans un creuset de distribution alors que l'atomisation se poursuit de manière à fournir une micros- tructure désirée et obtenir un ensemble particulier de propriétés à des parties différentes de la préforme. - REVENDICATIONS 1 Procédé pour former une préforme ( 26) ayant des propriétés différentes dans des parties diverses de celle-ci, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: fournir un creuset de distribution ( 10, 12) de manière à contenir une masse fondue ( 16) d'un métal devant être projeté; fournir une buse inférieure ( 20) dans le creuset pour délivrer un courant de métal liquide ( 18) à une zone d'atomisation ( 21) située au- dessous du creuset, fournir à la zone une certaine quantité de gaz d'atomisation afin d'atomiser le courant de métal liquide délivré à partir du creuset pour constituer un cône de fines gouttelettes ( 24), disposer une surface de réception ( 28) devant être revêtue avec les fines gouttelettes du cône, ajouter ( 30) un métal de modification ( 32) à la masse fondue dans le creuset de distribution de manière à changer les propriétés du métal qui s'y trouve à l'état fondu, mélanger le métal de modification à la masse fondue, et poursuivre la projection de manière à déposer la masse fondue modifiée sur la préforme. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse fondue de métal est un superalliage à base de nickel. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse fondue de métal est un superalliage et le métal de modification est un modificateur de renforcement. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse fondue de métal est un superalliage et le métal de modification est un métal de formation de gamma prime. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse fondue de métal est un superalliage et le métal de modification est l'aluminium.