Brevet FR2657032A1 — publié le 19910719

I La présente invention est relative à un procédé d'obtention de produit à partir de poudres préalliées, et plus particulièrement à un procédé d'obtention dans lequel les poudres sont soumises à un traitement de densification. La présente invention concerne aussi les produits obtenus à l'aide dudit procédé. On sait que la métallurgie des poudres, en déve- loppement depuis plusieurs années, permet notamment la fa- brication de pièces, à partir de métaux, impossibles ou difficiles à mettre en oeuvre autrement, par exemple en al- liages superréfractaires De ce fait, la métallurgie des poudres a, en particulier, des applications importantes dans le domaine de la fabrication aéronautique (pièces de turbines). Cependant, si les matériaux réalisés avec les pro- cédés d'obtention actuels présentent d'excellentes proprié- tés mécaniques aux moyennes températures, du fait de la finesse des grains, leur comportement à des températures élevées (au-delà de 6501 C) n'est pas toujours satisfaisant, notamment en ce qui concerne leur tenue au fluage et leur résistance à la propagation des fissures. Un but de l'invention est de proposer un procédé d'obtention de produits à partir de poudres préalliées en alliage superréfractaire permettant de pallier ces inconvé- nients. De façon surprenante, alors que jusqu'à présent en métallurgie des poudres, les matériaux réalisés étaient ca- ractérisés par un grain métallurgique très fin, l'invention propose un procédé d'obtention comportant des traitements destinés à faire grossir la taille des grains, la taille des particules de poudres étant néanmoins toujours initialement limitée par tamisage, et l'échelle des ségrégations étant réduite à des dimensions qui ne dépassent pas la taille des- dites particules. On sait, en métallurgie classique, qu'il est pos- sible de faire grossir la taille des grains d'un alliage en lui faisant subir un traitement thermique Cependant, dans le cadre de la métallurgie des poudres, de tels traitements thermiques s'avèrent en pratique inefficaces, par exemple les grains d'alliage obtenus à partir de poudres de diamètre inférieur à 106 micromètres, étant notamment très difficile à grossir au-delà de 7 en norme ASTM. En cherchant à analyser les causes de ces limita- tions, la demanderesse a observé que lors des étapes de den- sification, par exemple par compaction isostatique à chaud ou par filage, les éléments ségrégés à la surface des parti- cules de poudre (principalement le carbone et l'oxygène) y précipitaient, formant ainsi des réseaux stables impossibles à résorber par des traitements ultérieurs Une conséquence de ce phénomène est de favoriser les ruptures interparti- culaires et de rendre impossible le grossissement du grain. De ce fait, le grain se trouve limité à la taille des parti- cules de poudre initiale. Dans un de ses aspects principaux, l'invention propose un procédé d'obtention dont une étape est un traite- ment permettant d'atténuer la "décoration" des particules par précipitation des éléments ségrégés Plus particulière- ment, la solution retenue par la demanderesse consiste à soumettre, avant compaction, les poudres de l'alliage à des traitements thermiques sous faible pression (ou sans pression) par lesquels les éléments ségrégés précipitent de façon interne, en phases stables à la température de compac- tion et non plus au cours de compaction sur la surface des particules. Par ailleurs, dans le cadre de son analyse, la de- manderesse a encore observé que les traitements de grossis- sement des grains par élévation de température étaient limités par des phénomènes de brûlure, c'est-à-dire de début de fusion locale, qui empêchaient de porter l'alliage de poudre aux températures souhaitées. Pour remédier à cette autre limitation, l'inven- tion propose, en combinaison avec les traitements sans pres- sion ou sous faible pression précités, de soumettre les poudres ou alliages à des traitements d'homogénéisation, destinés à uniformiser structurellement les matériaux, afin de remonter autant que possible la température o apparais- sent ces phénomènes de brûlure. Plus particulièrement, dans le cas d'alliages à durcissement structural, les traitements d'homogénéisation, selon l'invention sont des traitements thermiques au-dessus de la température de Solvus de l'alliage. L'invention a donc pour objet un procédé d'obtention d'un produit à partir de poudres préalliées, dans lequel lesdites poudres sont soumises à un traitement de densification, ce procédé étant caractérisé par le fait que lesdites poudres sont préalablement soumises à un pré- traitement sans pression ou sous faible pression à une tem- pérature de précipitation des ségrégations en phases stables. Avantageusement, dans le cas o l'alliage obtenu est un alliage à durcissement structural, la température de précipitation des ségrégations à laquelle sont soumises les poudres lors du prétraitement sans pression ou sous faible pression est choisie entre la température de Solvus de l'alliage diminuée de 100 IC environ et sa température de fu- sion. De façon avantageuse, encore, toujours dans le cas o l'alliage obtenu est un alliage à durcissement structu- ral, une des étapes du procédé est un traitement thermique à une température supérieure à la température de Solvus de l'alliage. De préférence, le traitement de densification com- porte une étape de compaction à basse pression. De préférence encore, le traitement de densifica- tion comporte une étape de consolidation, notamment par com- paction isostatique à chaud ou par filage Le traitement de densification peut comporter à la fois une étape de compac- tion à basse pression et une étape postérieure de consolida- tion. Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel, le traitement thermique à une température supérieure à la tem- pérature de Solvus de l'alliage est réalisé après le traite- ment de densification. Dans un autre mode de mise en oeuvre préférentiel, le traitement thermique à une température supérieure à la température de Solvus de l'alliage est réalisé lors du pré- traitement sans pression ou sous faible pression et/ou lors du traitement de densification L'étape de consolidation peut notamment comprendre une compaction isostatique à une température supérieure à la température de Solvus de l'alliage. L'invention a aussi pour objet un produit en al- liage à durcissement structural obtenu à partir d'un tel procédé, et plus particulièrement en produit en alliage su- perréfractaire à base de nickel. Enfin, un autre objet de l'invention encore est l'utilisation de produits obtenus à l'aide dudit procédé, dans des pièces critiques fonctionnant à des températures élevées, par exemple supérieures à 650 'C, et plus parti- culièrement l'utilisation de tels produits pour la fabrica- tion de pièces critiques dans le domaine de la construction aéronautique. La description qui suit est purement illustrative et non limitative Elle doit être lue en regard des dessins annexés. Sur ces dessins: La Figure 1 représente une micrographie illus- trant, pour un premier alliage, la croissance des grains mé- tallurgiques au-delà des limites des particules de poudre initiales, grâce à la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention; La Figure 2 est un graphe illustrant la crois- sance des grains métallurgiques d'un deuxième alliage, grâce à la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention; Les Figures 3 et 4 sont des micrographies illus- trant respectivement, pour le même deuxième alliage, les différences de tailles de grains métallurgiques de matériaux obtenus, d'une part, avec un procédé d'obtention conforme à l'état de l'art, et, d'autre part, avec un procédé d'obten- tion conforme à l'invention. Le procédé conforme à l'invention a été mis en oeuvre pour l'obtention d'un premier alliage connu sous la dénomination commerciale ASTROLOYO (Marque déposée), dont la composition pondérale est la suivante: 0,040 % de zirconium; 0,023 % de bore; 0,020 % de carbone; 3,5 % de titane; 4 % d'aluminium; 5 % de molybdène; 15 % de chrome; 17 % de cobalt; balance de nickel Cet alliage admet une tem- pérature de Solvius de 11401 C. Un procédé classique d'obtention d'un produit, à base de poudres préalliées dans les proportions pondérales précitées, consiste en un traitement de densification à haute température et sous pression, par exemple en un traitement thermique sous 100 M Pa pendant six heures Le tableau A ci- dessous donne, en norme ASTM, les tailles de grains obtenues en fonction de la température de ce traitement thermique, ce à partir de particules de poudre ayant un diamètre moyen in- férieur à 75 micromètres. TABLEAU A I I l { I I Tailles de J | ASTROLOY | Traitement(s) | grain en j I I norme ASTM l I I I { |Procédés confor I 1120 C 6 h 100 M Pa I 10 J |mes à l'état de | 1160 C 6 h 100 M Pa | 7 t la technique | 1200 C 6 h 100 M Pa j 6 | I l I I Un exemple de procédé d'obtention conforme à l'invention consiste, quant à lui, en un traitement thermi- que préalable des poudres sous faible pression (inférieure à I atm) ou sans pression pendant, 24 heures, puis en un trai- tement thermique de densification dont une étape est une étape de compaction isostatique à chaud, sous 100 M Pa pen- dant six heures, à 1160 C, cette étape de compaction isosta- tique à chaud pouvant être suivie par un traitement, pendant quatre heures à une température de 1200 C. Les tailles de grains obtenues à partir de pou- dres initiales ayant un diamètre moyen inférieur à 75,um sont données dans le tableau B suivant: TABLEAU B Il | Tailles de ASTROLOY J Traitement(s) | grain en Il J |norme ASTM I II |I | 1120 C 24 h + 1160 C 6 h I Procédés 100 M Pa 5 conformes 1160 C 24 h + 1160 C 6 h l I 1 100 M Pa 3 à l'invention |I | 1160 C 24 h + 1160 C 6 h | I| J I| 100 M Pa + 1200 C 4 h J 1 à 3 l l I Il ressort clairement de la comparaison des Tableaux A et B, que la mise en oeuvre d'un prétraitement thermique sous faible pression ou sans pression permet un accroissement notable des tailles de grain des alliages ob- tenus. On note aussi, à partir du tableau B, que les tailles de grains sont beaucoup plus importantes lorsque le prétraitement est réalisé à 11600 C, c'est-à-dire au-dessus de la température de Solvus de l'alliage, que lorsqu'il est réalisé à 11200 C. En outre, on constate encore, que les résultats sur les tailles de grain sont encore très nettement amélio- rés lorsque le procédé d'obtention comporte une dernière étape de traitement à 12001 C, les tailles de grain métallur- giques réalisées pouvant aller jusqu'à une valeur de 1 en norme ASTM. Si l'on réfère, par ailleurs, à la Figure 1, qui représente une micrographie d'un alliage d'ASTROLOY obtenu à partir de celui des procédés conformes à l'invention cités dans le tableau B, qui comporte une dernière étape de trai- tement à 12000 C, on constate que les grains métallurgiques, dont les limites apparaissent en trait continu, se sont dé- veloppés au-delà des limites initiales des particules de poudre, que l'on aperçoit en pointillés sur la micrographie, du fait de la persistance de faibles décorations malgré le procédé de mise en oeuvre. Le procédé conforme à l'invention a encore été ap- pliqué pour obtenir un deuxième alliage connu sous la déno- mination conrnerciale N 18, dont la composition pondérale est la suivante: 0,030 % de zirconium; 0,015 % de bore; 0,015 % de carbone; 0,25 % d'hafnium; 4,35 % de titane; 4,35 % d'aluminium; 6,5 % de molybdène; 11, 5 % de chrome; 15,7 % de cobalt; balance de nickel Cet alliage a une température de Solvus de 11951 C. Le Tableau C donne les tailles de grain obtenues pour ce deuxième alliage, à partir de procédés d'obtention classiques, c'est-à-dire par compaction isostatique à chaud sous 100 M Pa, pendant six heures, pour différentes températures de compaction, les poudres initiales ayant un diamètre moyen inférieur à 75 m TABLEAU C I Tailles de I N 18 I Traitement(s) jgrain en I norme ASTM j I Procédés confor I 11200 C 6 h 100 M Pa I 10 Imes à l'état de j 11600 C 6 h 100 M Pa I 9 I Ila technique j 12000 C 6 h 100 M Pa j 7 j Le Tableau D donne quant à lui, des valeurs de tailles de grain d'alliages réalisés pour des poudres ini- tiales de dimensions similaires, à partir de procédés d'obtention conformes à l'invention Ces procédés d'obtention comportent chacun des prétraitements thermiques sous faible pression (inférieure à I atm) ou sans pression, suivi d'un traitement de densification Un tel traitement de densification peut comporter une étape de consolidation par compaction isostatique à chaud classique, suivie ou non d'une étape postérieure de consolidation Le traitement de densification peut aussi consister en une étape de compac- tion isostatique sous basse pression, suivie d'une étape de compact ion postérieure. TABLEAU D j j|l j Tailles de N 18 j Traitement(s) grain en lj l |j norme ASTM |I j| 1160 C 24 h + 1200 C 6 h Procédés 100 M Pa 5 conformes | 1160 C 24 h + 1160 C 6 h Ià l'invention 100 M Pa + 1200 C 4 h 5 |j j 1170 C 24 h + 1170 C 4 h lj 10 M Pa+ 1200 C 6 h 100 P Maj -1 à -2 l 1200 C 24 h + 1160 C 6 h l l |I |j 100 M Pa+ 1200 C 6 h 100 M Pa 4 l j l I Il ressort de la comparaison des Tableaux C et D, que le prétraitement thermique des poudres sous faible pres- sion permet de réaliser des alliages ayant des tailles de grain importantes, notamment ayant une valeur en norme ASTM inférieure ou égale à 5. Il faut aussi noter que les résultats obtenus sur ces tailles de grain sont d'autant meilleurs, que les tempé- ratures de prétraitement ou de traitement thermique sont su- périeures à la température de Solvus de l'alliage ( 1195 C). En outre, on notera encore que les résultats obte- nus avec une étape de compaction isostatique intermédiaire à basse pression ( 10 M Pa) sont très nettement supérieurs aux autres, les valeurs des tailles de grain atteintes pouvant aller jusqu'à 2 en norme ASTM. Si l'on se réfère maintenant aux Figures 3 et 4, qui représentent des micrographies respectivement d'un al- liage N 18 traité selon, d'une part, l'état de la technique à 1160 C, pendant 6 heures, sous 100 M Pa, et, selon, d'autre part, un procédé conforme à l'invention consistant en un prétraitement à 1170 C pendant 24 heures, suivi d'une com- paction isostatique sous faible pression à 1170 C, pendant 4 heures sous 10 M Pa, suivie encore d'une compaction posté- rieure à 1200 C, pendant 6 heures sous 100 P Ma, on voit que l'on distingue très nettement sur la Figure 4, les limites des grains métallurgiques formés dans l'alliage par le pro- cédé d'obtention conforme à l'invention, alors que ces mêmes limites sont difficilement distinguables sur la micrographie représentée sur la Figure 3, c'est-à-dire sur l'alliage ob- tenu par un procédé conforme à l'état de la technique Les grains des alliages obtenus avec le procédé conforme à l'invention sont très nettement supérieurs à ceux obtenus avec le procédé conforme à l'état de la technique. Si l'on se réfère maintenant à la Figure 2, qui est un graphe donnant la taille des grains, en norme ASTM, des alliages obtenus à l'aide d'un procédé conforme à l'invention, en fonction de la température de prétraitement auxquels lesdits alliages sont soumis pendant 24 heures, ce prétraitement ayant été suivi par une étape de compaction isostatique à chaud à 1120 C, pendant six heures, sous 100 M Pa, prolongée par une étape de compaction postérieure à 1200 C pendant six heures, sous 100 M Pa, on note un accrols- sement sensible de la valeur des tailles des grains lorsque la température du prétraitement initiale est au-delà de la température de Solvus de l'alliage ( 1195 C). REVENDICATIONS 1 Procédé d'obtention d'un produit à partir de poudres préalliées, dans lequel lesdites poudres sont soumi- ses à un traitement de densification, caractérisé en ce que lesdites poudres sont préalablement soumises à un prétraite- ment sous faible pression (ou sans pression) à une tempéra- ture de précipitation des ségrégations en phases stables. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le produit obtenu est en alliage à durcissement structural, caractérisé en ce que la température à laquelle est réalisée le prétraitement sous faible pression (ou sans pression) est comprise entre la température de Solvus de l'alliage dimi- nuée de 1000 C environ et sa température de fusion. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, dans lequel le produit obtenu est en alliage à durcissement structural, caractérisé en ce que une des éta- pes dudit procédé est un traitement thermique à une tempéra- ture supérieure à la température de Solvus de l'alliage. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement de den- sification comporte une étape de compaction à basse pression. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le traitement de densifi- cation comporte une étape de consolidation, notamment par compaction isostatique à chaud. 6 Procédé selon les revendications 4 et 5 prises en combinaison, caractérisé en ce que le traitement de den- sification comporte une étape de compaction à basse pression et une étape postérieure de consolidation. 7 Procédé selon la revendication 3 prise en com- binaison avec l'une quelconque des revendications 4 à 6, ca- ractérisé en ce que le traitement thermique à une température supérieure à la température de Solvus de l'alliage, est réalisé après le traitement de densifica- tion. 8 Procédé selon la revendication 3 prise en com- binaison avec l'une quelconque des revendications 4 à 6, ca- ractérisé en ce que le traitement thermique à une températu- re supérieure à la température de Solvus de l'alliage est réalisé lors du prétraitement sans pression ou sous faible rression et/ou lors du traitement de densification. 9 Procédé selon la revendication 8, prise en com- binaison avec l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'étape de consolidation comprend une compaction isostatique à une température supérieure à la température de Solvus de l'alliage. Produit en alliage de durcissement structural obtenu à partir du procédé selon l'une des revendications 1 à 9. Il Produit en alliage superréfractaire à base de nickel selon la revendication 10. 12 Utilisation d'un alliage selon l'une des re- vendications 10 ou 11, pour la fabrication de pièces criti- ques devant travailler à des températures > 6501 C. 13 Utilisation selon la revendication 12 d'un al- liage selon l'une des revendications 10 ou Il pour la fabri- cation de pièces critiques en construction aéronautique.