Brevet FR2729675A1 — publié le 19960726

La présente invention a pour objet un perfectionnement au procédé d'élaboration et de traitement thermique de superalliages polycristallins à base de nickel, résistant à chaud. L'invention concerne plus particulièrement l'élabo- ration d'un alliage utilisé pour la réalisation de composants appartenant à une turbomachine tels que, par exemple,une roue monobloc de turbine à gaz. Dans de telles applications, les composants sont soumis à des contraintes mécaniques particulièrement élevées à des températures atteignant plus de 1100 C. La réalisation de pièces forgées à base de nickel ou d'alliage nickel-chrome s'est rapidement avérée insuffisante car elles ne possèdent pas les propriétés requises en fluage pour des températures supérieures à 650-700 C. Les pièces de fonderie possèdent des très bonnes propriétés en fluage à très hautes températures et elles ont pu être utilisées pour la réalisation des aubes de turbine. Par liaison mécanique on peut donc réaliser une roue de turbine axiale avec des aubes venues de matière de fonderie et un disque forgé. Il demeure toutefois un besoin, en particulier pour les roues de turbines centripètes dont les caractéristiques géométriques ne permettent pas d'assemblage mécanique. On connaît des procédés d'élaboration de superalliages polycristallins à base de nickel et notamment celui commercialisé sous la marque UDINET 720. Cet alliage a la composition suivante exprimée en pourcentage en poids - chrome : 18 % - cobalt : 14,7 % - molybdène : 3 % - tungstène : 1,25 % - titane : 5 % - aluminium : 2,5 % - zirconium : 0,03 % - carbone : 0,035 % - bore : 0,033 Ce type de superalliage est obtenu à partir de fusion et de refusion sous vide et/ou sous laitier. I1 est ensuite prévu des traitements thermomécaniques jusqu'à 1000"C et des vieillissements, différents suivant les applications ultérieures, mais dont l'une des phases au moins se situe au delà de 1100 C pendant 2 à 4 heures. Il se trouve qu'à ces températures, il y a une précipitation des phases secondaires et notamment des carbures dans les joints de grains, qui est préjudiciable à une bonne tenue mécanique de ces superalliages dans une zone de températures comprise entre 700 C et 900 C, notamment par une dégradation au niveau des joints de grains. Une première tentative pour résoudre ce problème a consisté à tenter de modifier la géométrie des joints de grains pour obtenir des joints "festonnés" en agissant sur la précipitation des phases. Cette technique est toutefois nuisible aux performances dans la plage de températures comprises entre 700 et 800 C. Une seconde démarche consiste à modifier la composition chimique des joints de grains afin de piéger les carbures nuisibles à basses températures, par l'adjonction de Bore. Le but de l'invention est de proposer un superalliage dont certaines étapes du procédé de fabrication ont été modifiées pour permettre d'améliorer le comportement mécanique dans la plage de températures comprises entre 700 et 900 C. A cet effet, le présent perfectionnement au procédé d'élaboration de superalliage polycristallin à base de nickel, utilisable pour la réalisation de produits forgés ou coulés, notamment pour la réalisation de disques de turbine ou de roues de turbines centripètes, se caractérise en ce que sa composition comprend, en pourcentage en poids, au plus - 0,05 % de carbone pour les produits destinés à la fonderie ; - 0,02 t de carbone pour les produits destinés à la fonderie et à la forge - 0,001 % de soufre pour les produits destinés à la fonderie et à la forge - 0,01 de phosphore pour les produits destinés à la fonderie et à la forge et au moins - 0,03 t de Bore pour les produits destinés à la fonderie - 0,02 t de Bore pour les produits destinés à la forge. Le rapport en poids des masses de Bore et de carbone est de préférence supérieur à 1,1. De plus, le cycle thermomécanique comprend des opérations réalisées en dehors de la plage de températures comprise entre 900 C et 1050oc Quant au vieillissement, il est réalisé à une température inférieure à 900"c. Le vieillissement est plus particulièrement réalisé entre 650 et 850 C pendant une durée de 1 à 48 heures. Le vieillissement est effectué en au moins deux étapes en commençant par la température la plus basse. Par exemple, dans le cas d'un vieillissement en deux étapes, on effectuera un vieillissement à 700 c pendant 24 heures,suivi d'un vieillissement à 815 c pendant 16 heures. De nombreux avantages découlent de ces modifications du procédé,comme cela va être décrit ci-après en référence aux figures annexées dans lesquelles - les figures lA et 1B sont des vues au microscope, respectivement agrandies 2000 fois et 5000 fois, d'un échantillon d'UDIMET 720 ayant subi un traitement standard ; et - les figures 2A et 2B sont des vues aux mêmes grossissement que précédemment, d'un échantillon d'UDINET 720 mais ayant été élaboré suivant le procédé de l'invention. La suppression des traitements thermomécaniques à haute température, évite la précipitation des carbures et des borures dans les joints de grains. De même, la modification de la composition par la diminution du pourcentage de carbone limite la formation des carbures. Quant au vieillissement à basse température, il permet d'augmenter la fraction volumique de la phase ' aux dépends de la phase N23C6 MC + y = M23c6 + Y On obtient ainsi des valeurs de résistance mécanique supérieures. En effet, sous 300 MPa à 850 C, la durée de vie à la rupture est augmentée de 120 à 430 heures. De même pour la résistance en traction en température. NUANCE STANDARD NOUVEAU PROCEDE T0C RNPa RO,2 MPa L A% RMPa RO,2NPa A% 20 1350 880 13 1460 1000 15 650 1280 810 17 1380 920 11 Les micrographies des figures 1A et 1B montrent la présence de phase y' dans les grains et une précipitation de y' également dans les joints de grains mais associée à des précipitations de carbure et plus généralement de toutes les phases secondaires. On constate également que les grains ont une taille relativement importante, ce que est préjudiciable à une bonne résistance mécanique. Sur les figures 2A et 2B, on remarque tout d'abord la finesse des grains, car les traitements thermiques à des températures plus basses évitent le grossissement des grains. La résistance mécanique est augmentée et les joints de grains sont également moins sensibles à la dégradation en température car moins de carbures sont accumulés dans les joints de grains. Contrairement aux connaissances générales dans le domaine qui proposent de réaliser des "trempées lentes" qui favorisent la précipitation de gros ' et la formation de joints de grains festonnés, il est fait appel à une trempe rapide pour éviter la ségrégation dans les joints de grains. REVENDICATIONS 1. Perfectionnement au procédé d'élaboration et de traitement thermique d'un superalliage polycristallin à base de nickel, résistant à chaud, utilisable pour la réalisation de produits forgés ou coulés, notamment pour la réalisation de disques de turbine ou de roues de turbines centripètes, caractérisé en ce que sa composition comprend, en pourcentage en poids, au plus - 0,05 % de carbone pour les produits destinés à la fonderie - 0,02 % de carbone pour les produits destinés à la forge - 0,001 % de soufre pour les produits destinés à la fonderie et à la forge - 0,001 % de phosphore pour les produits destinés à la fonderie et à la forge et au moins - 0,03 % de Bore pour les produits destinés à la fonderie - 0,02 % de Bore pour les produits destinés à la forge. 2. Perfectionnement du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport en poids des masses de Bore et de carbone est supérieur à 1,1. 3. Perfectionnement du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le cycle thermomécanique comprend des opérations en dehors de la plage de températures comprise entre 900 C et 1050 C. 4. Perfectionnement du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le vieillissement est réalisé à une température inférieure à 900C. 5. Perfectionnement du procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le vieillissement est réalisé entre 650 et 850 C pendant une durée de 1 à 48 heures. 6. Perfectionnement du procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le vieillissement est effectué en au moins deux étapes en commençant par la température la plus basse.