Brevet FR2685707A1 — publié le 19930702

La présente invention a pour objet un acier maraging à ductilité et ténacité élevées, présentant une résistance améliorée à la fatigue, notamment utilisable pour la fabrication d'arbres de turbines dans l'aéronautique. Dans le domaine de l'aéronautique, il est connu d'employer des aciers dits maraging, notamment pour la fabrication d'arbres de turbines pour des moteurs d'avions, en raison de leurs propriétés particulièrement intéressantes. De tels aciers regroupent des alliages à structure martensitique contenant du nickel, du cobalt et du molybdène et généralement de faibles additions de titane et/ou d'aluminium pour permettre un durcissement structurel par traitement de vieillissement. De nombreuses études scientifiques ont été publiées sur le sujet et notamment "BIEBER, C.G. "Creative Metallurgy", ASM Metals Engg. Q. 1961, 1, Nov. 92-108", "DECKER, R.F., EASH, J.T., GOLDMAN, A.G. : '18 % Maraging Steel', ASM Trans. Q. 1962, 55, Mar. 58-76" et "HAYNES, A.G. : 'Development and Future Potential of Maraging Steels', J.R. Aeronaut. Soc., 1966, 70, 766772". Ces aciers sont connus pour leur bon compromis entre une limite élastique et une résistance mécanique élevées ainsi que d'excellentes qualités de ductilité et ténacité. Un acier de ce type possède par exemple la composition pondérale majoritaire suivante - 18 % de nickel - 8-% de cobalt - 5 % de molybdène - 0,5 % de titane le reste étant constitué par du fer et des impuretés. Cet acier a une résistance mécanique de l'ordre de 1955 MPa, une striction de 47 % pour une énergie de résilience de 20 J, mesurée par la méthode Charpy. Cependant, malgré le potentiel d'une résistance mécanique élevée, on a pu constater que des particules de phases riches en titane de dimensions comprises entre 10 et 20 micromètres, prennent naissance dans l'alliage et initient des fissures sous l'action de contraintes élevées. Il a été démontre qu'en l'absence de titane il est possible d'obtenir un durcissement équivalent en modifiant l'équilibre des autres éléments de l'alliage et plus particulièrement en augmentant les teneurs en molybdène et en cobalt. Un tel acier possède alors par exemple la composition pondérale majoritaire suivante - 14 % de nickel - 12 % de cobalt - 9,5 % de molybdène le reste étant constitué par du fer et des impuretés. Malgré une résistance mécanique élevée, voisine de 2110 MPa, cet acier est très peu ductile, sa striction étant égale à 13 %. Il a d'ailleurs été constaté que pour des teneurs croissantes en molybdène au delà de 5 * en poids, l'alliage obtenu révèle une résistance mécanique accrue mais une ductilité très affaiblie. On conçoit aisément qu'un arbre de turbine fabriqué à partir de cet alliage ne peut résister aux sollicitations thermiques et mécaniques qui lui sont appliquées en service. La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un acier maraging à ductilité et ténacité élevées et présentant une résistance améliorée à la fatigue. L'invention a ainsi pour objet un acier maraging à ductilité et ténacité élevées, présentant une résistance améliorée à la fatigue, utilisable notamment dans la fabrication d'arbres de turbines pour moteur d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend, en composition pondérale - de 14 à 19 % de nickel - de 9 à 14 % de cobalt - de 5 à 8 % de molybdène, les teneurs en nickel et molybdène satisfaisant à la relation: 22 4 Ni + Mo ç 24, et en ce qu'il contient de 0,005 à 0,05 % d'un élément appartenant à la famille chimique des terres rares. De préférence - l'acier selon l'invention comporte, en composition pondérale - moins de 0,01 % de carbone - moins de 0,2 % d'aluminium - moins de 0,1 % de silicium - moins de 0,1 % de manganèse - de 0,005 à 0,05 % d'un élément appartenant à la famille chimique des terres rares, le reste étant constitué par du fer et des impuretés; - l'acier maraging selon l'invention possède la composition pondérale suivante - de 15,5 à 17,5 % de nickel - de 11 à 12 % de cobalt - de 6 à 7 % de molybdène - moins de 0,01 % de carbone - moins de 0,2 % d'aluminium - moins de 0,1 % de silicium - moins de 0,1 % de manganèse - de 0,01 à 0,04 % d'un élément appartenant à la famille chimique des terres rares, le reste étant constitué par du fer et des impuretés; - l'élément appartenant à la famille chimique des terres rares est le lanthane. On entend par terres rares tous les éléments chimiques figurant dans la troisième colonne du tableau de la classification périodique des éléments de Mandeleïev, ceci incluant l'Ytrium qui est considéré comme étant assimilé à la famille chimique des terres rares. L'acier maraging selon l'invention trouve une application particulièrement intéressante dans la fabrication d'arbres de turbines pour moteurs d'avions. De manière plus générale, en raison de sa haute limite élastique et de sa tenue en fatigue améliorée, cet acier convient parfaitement aux pièces d'accouplement et aux ressorts très fortement sollicités lors de leur mise en service, dans les secteurs aéronautique et automobile. D'autres avantages et caractéristiques vont apparaître au cours de la description qui va suivre, illustrant un mode de réalisation de l'invention donné uniquement à titre d'exemple. L'acier maraging selon l'invention est utilisé dans la fabrication d'arbres de turbines pour moteur d'avion et possède par exemple la composition pondérale suivante - Nickel : 16,5 % - Cobalt : 11,5 % - Molybdène : 6,5 % - Carbone : 0,005 % - Aluminium : 0,1 % - Silicium : 0,1 % - Manganèse : 0,1 * - Lanthane : 0,028 % le reste étant constitué par du fer et des impuretés accidentelles présentes en des teneurs résiduelles. Un tel acier maraging est par exemple élaboré de la manière suivante On procède tout d'abord à la fusion et à l'affinage au four à induction sous vide. L'acier affiné est ensuite coulé sous vide en lingots électrodes puis refondu dans un four à électrode consommable, cette opération permettant de contrôler les conditions de solidification de l'acier. La dernière opération de 1 'élaboration consiste à transformer l'acier à chaud par forgeage ou laminage selon les techniques connues de l'homme de métier. Les alliages selon l'invention contiennent du nickel et une faible teneur en carbone afin d'assurer une structure constituée à 100 % de martensite douce après refroidissement depuis le domaine austénitique. On emploie le terme martensite douce par opposition aux aciers au carbone dans lesquels on obtient une martensite dite dure. La teneur en carbone est donc inférieure à 0,01 % en poids. La teneur en nickel est ajustée en fonction de celle en molybdène afin de parvenir à la fin de la transformation martensitique à une température Mf dite de fin de transformation, supérieure à la température ambiante. Ainsi, pour s'assurer d'une structure complètement martensitique lors du refroidissement à la température ambiante depuis le domaine austénitique, les teneur en nickel et en molybdène doivent satisfaire à la relation 22 ç Ni + Mo 4 24 cette relation garantissant une température Mf supérieure à la température ambiante. Etant donné que le titane a disparu de la composition, des additions de cobalt et de molybdène sont nécessaires pour durcir l'alliage par vieillissement de la structure martensitique dans un domaine de température s'étendant par exemple de 435 à 525O C. Les teneurs en cobalt et en molybdène sont ainsi respectivement inscrites dans les intervalles 9 à 14 % et 5 à 8 % et de préférence de 11 à 12 % de cobalt et de 6 à 7 % de molybdène selon le degré de durcissement maximal recherché. Des teneurs inférieures aux minima précisés cidessus ne permettraient pas d'obtenir les duretés requises dans les applications envisagées, tandis que, pour des teneurs plus fortes que les maxima, l'alliage ne présente pas une ductilité suffisante. Par exemple, un alliage dont la composition pondérale majoritaire est constitué de - 13 % de nickel - 16 % de cobalt - 10 % de molybdène possède une résistance mécanique très élevée, environ 2440 MPa, mais par contre une médiocre ductilité. On choisit pour satisfaire à la relation précitée une teneur en nickel comprise entre 14 et 19 t et de préférence comprise entre 15,5 et 17,5 %. De manière inattendue, la demanderesse s'est aperçue que l'adjonction en quantités bien définies d'un élément appartenant à la famille chimique des terres rares, et en particulier le lanthane, confère à l'alliage une bonne ductilité. Le lanthane, par exemple, est ajouté dans des proportions pondérales comprises entre 0,005 et 0,05 % et de préférence comprises entre 0,01 et 0,04 %. Une teneur plus élevée serait préjudiciable aux transformations mécaniques opérées sur l'alliage. L'acier maraging selon l'invention est remarquable en ce qu'il possède une résistance mécanique élevée, à savoir 2000 MPa pour l'exemple choisi, ainsi qu'une ductilité et une ténacité élevées, la striction étant égale à 46,5 % et l'énergie de résilience mesurée par la méthode Charpy étant égale à 20 J. Cet acier sans titane est comparable, pour ce qui est des propriétés, à l'alliage classique de composition pondérale majoritaire suivante - 18 % de nickel - 8 % de cobalt - 5 * de molybdène et 0,5 % de titane qui possède une résistance mécanique de l'ordre de 1955 MPa alliée à une bonne ductilité, 47 % de striction, et une énergie de résilience Charpy de 20 J. En outre, l'acier selon l'invention est qualifié de "propre" étant donné qu'il ne renferme plus de particules de phases riches en titane pouvant atteindre une taille de 10 pm. Ces particules sont néfastes dans les applications envisagées car elles initient des fissures lors de la sollicitation en fatigue de cet acier. D'autres éléments, résultant de l'élaboration des aciers, peuvent être présents en faibles quantités tels que l'aluminium, le silicium et le manganèse, l'alliage contenant évidemment des impuretés accidentelles. REVENDICATIONS 1. Acier maraging à ductilité et ténacité élevées, présentant une résistance améliorée à la fatigue, utilisable notamment dans la fabrication d'arbres de turbines pour moteur d'avion, caractérisé en ce qu'il comprend, en composition pondérale - de 14 à 19 * de nickel - de 9 à 14 % de cobalt - de 5 à 8 % de molybdène, les teneurs en nickel et molybdène satisfaisant à la relation 22 4 Ni + Mo + 24, et en ce qu'il contient de 0,005 à 0,05 % d'un élément appartenant à la famille chimique des terres rares. 2. Acier maraging selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient moins de 0,01 % de carbone. 3. Acier maraging selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient moins de 0,2 % d'aluminium. 4. Acier maraging selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient moins de 0,1 % de silicium. 5. Acier maraging selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient moins de 0,1 % de manganèse. 6. Acier maraging selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa composition pondérale est de préférence la suivante - de 15,5 % à 17,5 % de nickel - de 11 à 12 % de cobalt - de 6 à 7 * de molybdène - moins de 0,01 * de carbone - moins de 0,2 * d'aluminium - moins de 0,1 * de silicium - moins de 0,1 % de manganèse - de 0,01 à 0,04 % d'un élément appartenant à la famille chimique des terres rares, le reste étant constitué par du fer et des impuretés. 7. Acier maraging selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'élément appartenant à la famille chimique des terres rares est de préférence le lanthane. 8. Arbre de turbine pour moteur d'avion, caractérisé en ce qu'il est fabriqué à partir d'un acier maraging selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.