Brevet FR2680522A1 — publié le 19930226

DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de traitement thermique de pièces en superalliages ainsi que des outillages utilisés pour la mise en oeuvre dudit procédé qui comporte notamment une opération de trempe. Dans diverses applications où des conditions sévères d'utilisation et la recherche de hautes performances, notamment des caractéristiques mécaniques élevées et de bonnes propriétés de tenue en service, amènent à orienter les choix de matériaux des pièces vers les superalliages, l'optimisation de ces propriétés impose généralement des séquences de traitements thermiques ou thermomécaniques. Ceci est notamment le cas dans les applications à des pièces fortement sollicitées et/ou soumises à de hautes températures d'utilisation destinées aux turbomachines. Il est connu pour ces applications de faire appel à des compositions de superalliages à base de nickel fortement durcis par précipitation d'une phase gamma-prime. Des exemples de tels superalliages sont notamment donnés par EP-A-0 237 378. Un exemple remarquable de ces applications et de l'utilisation de ce type d'alliages est constitué par les disques de turbomachines et notamment les pièces de parties chaudes de turbomachine telles que les disques de turbine. De manière classique, les opérations de traitements thermiques appliqués au type d'alliages notés ci-dessus comportent une séquence de mise en solution à haute température suivie d'un refroidissement dit trempe.Dans l'exemple cité, la définition géométrique et les conditions d'emploi d'un disque de turbine entraînent les conditions suivantes - une partie plus épaisse du disque, au niveau de l'alésage est soumise à des températures d'utilisation plus basses, typiquement inférieures à 6000C, - une partie plus mince du disque, au niveau de la jante, est soumise à des températures d'utilisation plus élevées, typiquement supérieures à 6000C et atteignant par exemple 7500C dans des applications aéronautiques aux turboréacteurs, particulièrement visées par l'invention. Pour les superalliages concernés, notamment du type à base de nickel fortement durci par précipitation de phase gammaprime, l'optimisation des propriétés impose les conditions suivantes de traitement - un refroidissement rapide et des vitesses de trempe élevées doivent être appliquées sur les parties de pièces soumises en utilisation aux températures de service inférieures à 6000C car ces conditions améliorent toutes les propriétés des alliages dans ce cas - par contre, une vitesse de trempe plus faible doit être appliquée sur les parties de pièces soumises en utilisation aux températures de service supérieures à 6000C et jusqu'à 7500C car ces conditions améliorent notamment les propriétés de résistance en fluage et surtout en propagation de fissure avec temps de maintien sous atmosphère oxydante. Les techniques habituellement utilisées font appel pour le refroidissement de ce type de pièces après mise en solution à haute température ou trempe à une immersion dans un bain d'huile avec circulation, cette trempe pouvant être différée en imposant un temps d'attente déterminé entre la sortie de la pièce du four de chauffage et son immersion dans l'huile. Dans tous les cas, à moins de prévoir des dispositions particulières, les vitesses de refroidissement ou de trempe les plus élevées seront obtenues sur les parties minces des pièces. Ainsi, dans l'exemple cité plus haut d'un disque de turbine, la jante mince sera refroidie plus vite que la partie épaisse du disque, située au niveau de l'alésage. Les résultats ainsi obtenus sont donc à l'inverse de ce qui est recherché du point de vue des propriétés à obtenir, comme rappelé ci-dessus. Un des buts de l'invention est de remédier à cet état de faits et d'obtenir dans des zones choisies de pièce un ralentissement du refroidissement lors de l'opération de trempe. Des tentatives ont déjà été effectuées dans le but de remédier à ces problèmes. Ainsi US-A-4 820 358 décrit un traitement thermique de disque de turboréacteur dans lequel lors de la mise en solution, la température de la jante est supérieure à la température du moyeu du disque et lors du refroidissement ou trempe, la vitesse de refroidissement dudit moyeu est double de celle de la jante. Les moyens proposés pour la mise en oeuvre de ces traitements comportent notamment des moyens de chauffage par induction disposés aux endroits choisis et des moyens de refroidissement du type sonde à circulation de réfrigérant, disposés dans l'alésage du disque. La mise en oeuvre de ces moyens présente une grande complexité. US-A-4 769 092 prévoit d'obtenir un refroidissement différentiel de différentes zones d'une pièce telle qu'un disque de turbomachine en disposant des buses projetant sur ces zones un fluide réfrigérant dont le débit et la pression sont réglables et qui est différent selon l'effet recherché. US-A-4 789 410 prévoit d'utiliser des techniques de traitements en bains de sels en au moins deux bains successifs, une partie de pièce pouvant rester en-dehors du premier bain. Un des buts de l'invention est d'obtenir les résultats recherchés qui ont été rappelés ci-dessus en utilisant des moyens dont la mise en oeuvre est plus simple que celle des moyens connus précédemment utilisés. Le procédé de traitement thermique du type précité permet d'obtenir ces résultats sans les inconvénients des procédés antérieurs connus en prévoyant de manière remarquable et conforme à l'invention la mise en place d'une barrière thermique sur au moins une zone déterminée de la pièce comprenant les parties minces de ladite pièce. Divers modes avantageux de réalisation de ladite barrière thermique sont prévus par l'invention, parmi lesquels le choix est effectué en fonction des applications particulières. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre des modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente, selon une demi-vue schématique en coupe par un plan passant par un diamètre, une pièce en superalliage ayant des zones revêtues d'une barrière thermique, conformément à l'invention - la figure 2 représente, selon une demi-vue analogue à celle de la figure 1, une pièce en superalliage équipée d'un outillage de protection constituant une barrière thermique, conforme à l'invention - la figure 3, représente selon une vue schématique de dessus la pièce représentée sur la figure 2 - les figures 4, 5 et 6 représentent schématiquement divers modes d'ajustage d'un manchon souple à l'aide de fil réfractaire pour constituer une barrière thermique, conforme à l'invention ; - la figure 7 représente schématiquement une pièce en superalliage posée sur un outillage-support formant barrière thermique, conformément à l'invention. La figure 1 représente un premier mode de réalisation permettant la mise en oeuvre du procédé de traitement thermique conforme à l'invention. Dans l'exemple représenté, une pièce 1 en superalliage à base de nickel fortement durci par précipitation d'une phase gamma-prime se présente sous forme d'un disque de turbomachine et sur la figure 1, le disque 1 est à un stade d'avancement de fabrication correspondant à l'application à la pièce du traitement thermique conforme à l'invention. Lors de la première étape (a) du procédé conforme à l'invention, les zones 2 et 3 correspondant respectivement à la jante du disque 1 et à une excroissance latérale qui sont des parties minces de la pièce finie sont revêtues d'une couche 4 d'un dépôt de matériau céramique.Ledit matériau choisi parmi les nombreux produits existants a des propriétés de faible conductibilité thermique et de faible réactivité avec le matériau constituant la pièce 1 au cours du traitement. La zone 5 correspondant aux parties épaisses du disque fini 1 et notamment au moyeu du disque de ladite zone 5 n'est pas munie de la barrière thermique constitué par le revêtement 4. Le dépôt dudit revêtement 4 peut être effectué par tout moyen connu et notamment soit par projection à la flamme plasma soit par enduction mécanique à la spatule ou au pinceau. Grâce à ces dispositions et de manière remarquable, conforme à l'invention, après l'étape (b) de chauffage du disque 1 dans un four ou enceinte de traitement thermique adaptée, dans les conditions de température, d'atmosphère, de durée déterminées pour le superalliage concerné, lors de l'étape (c) d'immersion dans un bain d'huile avec circulation pour la trempe de la pièce, le refroidissement des zones 5 de pièce non protégées est rapide et le refroidissement des zones 2 et 3 de pièce protégées par le revêtement 4 de barrière thermique est plus lent.Ces conditions imposées permettent une optimisation des caractéristiques mécaniques du disque 1 en fonction des sollicitations de la pièce en fonctionnement qui sont différentes pour la jante 2 et le moyeu 5 du disque Les figures 2 et 3 schématisent un deuxième mode de réalisation pour la mise en place d'une barrière thermique sur les zones de pièces où un ralentissement de la vitesse de refroidissement lors de l'étape (c) de trempe de la pièce est souhaité. La zone 2 du disque 1 est entourée d'un bandage mécanique 6 constitué de deux tôles minces 7 et 8 qui sont mises en forme suivant les contours de la pièce et assemblées par tout moyen connu de fixation 9.Selon le matériau retenu pour la fabrication du bandage mécanique 6, les tôles 7 et 8 en aciers courants sont consommables ou les tôles 7 et 8 en aciers de type inoxydables ou résistant à haute température peuvent être réutilisables. Le mode d'utilisation de la barrière thermique 6 ainsi que les résultats obtenus sont semblables à ce qui a été obtenu par le premier mode de réalisation précédemment décrit. Un troisième mode de réalisation consiste à mettre en place sur la jante du disque ou autre zone de pièce à protéger un manchon 10 réalisé en un tissu céramique réfractaire souple, tel qu'un matériau du type à fibre de carbure de silicium. Les figures 4, 5 et 6 illustrent diverses possibilités de mise en place du manchon 10. Le manchon 10 est réalisé soit à partir d'un tissu plat, soit à partir d'un tissu cylindrique et il est ajusté autour de la jante à l'aide de fils réfractaires 11, comme indiqué sur les figures 4, 5 et 6. Le mode d'utilisation de la barrière thermique ainsi constituée ainsi que les résultats obtenus sont semblables à ce qui a été précédemment décrit pour les précédents modes de réalisations. La figure 7 représente un quatrième mode de réalisation pour la mise en place d'une barrière thermique sur une zone déterminée de pièce. Le disque 1 est dans ce cas posé sur un outillage-support 14, l'ensemble reposant par exemple sur un plateau de manutention schématisé en 12. Cette solution est plus particulièrement avantageuse dans le cas où la pièce 1 à traiter comporte une zone 13 présentant un fort porte-à-faux par rapport au reste de la pièce. Dans ce cas il existe en effet un risque de fluage superplastique tendant à déformer la pièce 1 lors du traitement de mise en solution. L'outillage-support 14 permet ainsi de réduire le porte-àfaux et d'empêcher la déformation par fluage de la pièce 1. Par ailleurs et comme les barrières thermiques des modes de réalisation précédemment décrits en référence aux figures 1 à 6, la présence de l'outillage-support 14 permet de ralentir la vitesse de refroidissement de la zone 13 de pièce masquée lors de la trempe à l'huile. La forme précise de l'outillagesupport 14 est déterminée par les calculs en utilisant une méthode prédictive des évolutions thermiques telle qu'une méthode des éléments finis. En plus des résultats remarquables concernant les propriétés de la pièce obtenue qui ont été notés, on relève également que le procédé de traitement thermique conforme à l'invention permet de réduire les contraintes résiduelles dans la pièce qui pourraient provenir de ces traitements. On notera que la mise en place d'une barrière thermique telle qu'exposée ci-dessus reste compatible avec divers aménagements qui peuvent être apportés au procédé de traitement thermique en fonction des applications particulières. I1 est notamment parfois nécessaire, notamment en vue de réduire les chocs thermiques, de prévoir un temps d'attente plus ou moins long entre la sortie de pièce du four de chauffage et son immersion dans le bain d'huile. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique de pièces en superalliage notamment à base de nickel fortement durci par précipitation de phase gamma-prime telles que des disques de turbomachine comportant les étapes suivantes: - (a) mise en place d'une barrière thermique (4, 6, 10, 11, 14) sur au moins une zone (2, 3, 13) déterminée de la pièce (1) comprenant les parties minces de ladite pièce ; - (b) traitement de la pièce (1) consistant en une mise en solution dans une enceinte de traitement thermique dans les conditions de température, d'atmosphère, de durée déterminées pour le superalliage concerné - (c) sortie de la pièce (1) de ladite enceinte et immersion dans un bain d'huile avec circulation pour la trempe de la pièce - (d) sortie de la pièce (1) et retrait de ladite barrière thermique. 2. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1 dans lequel à l'étape (c), un temps d'attente est observé entre la sortie de la pièce (1) de l'enceinte de chauffage et son immersion dans l'huile, la durée de ladite attente étant déterminée en fonction du superalliage et des caractéristiques particulières de la pièce (1) à traiter. 3. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'étape (a) consiste à déposer sur lesdites zones de pièce à protéger un matériau céramique (4) ayant des propriétés de faible conductibilité thermique et ne présentant pas de réaction avec le superalliage constituant les pièces au cours du traitement, le dépôt étant effectué par tout moyen connu tel que par projection à la flamme plasma ou par enduction mécanique. 4. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'étape (a) consiste à recouvrir lesdites zones de pièce à protéger au moyen d'un bandage mécanique (6) constitué de tôles minces (7, 8) épousant les formes de la pièce et assemblées mécaniquement (9). 5. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'étape (a) consiste à recouvrir lesdites zones de pièce à protéger au moyen d'un manchon (10) en tissu céramique réfractaire souple ajusté et tenu par des fils réfractaires (11). 6. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel, au cours de l'étape (a), la pièce (1) à traiter est disposée sur un outillage support (14) qui masque lesdites zones (13) de pièce à protéger.