Brevet FR2755040A1 — publié le 19980430

PROCEDE DE FABRICATION PAR FLUOTOURNAGE A FROID D'UNE PIECE EN ALLIAGE INCONEL 718. DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de fabrication par fluotournage à froid, (ou par fort écrouissage) d'une pièce en alliage 718 (Inconel 718), éventuellement suivi d'un traitement thermique de vieillissement. Le procédé selon l'invention permet notamment l'obtention par fluotournage à froid de corps ou de structures cylindriques présentant de très hautes caractéristiques mécaniques notamment à chaud. De tels corps ou structures métalliques de grande longueur mais de faible épaisseur peuvent être en particulier utilisés comme réservoirs ou comme structure de propulseur dans l'industrie aéronautique. L'alliage connu sous le nom d'Inconel 718, appelé aussi NC19FENB est un alliage à base de nickel composé, en pourcentages en poids de: - 18,5% de Fer - 18% de Chrome - 5,2% de niobum et de tantale - 3% de Molybdène 0,9% de titane - 0,5% d'Aluminium, et le reste de nickel. Ce matériau est inoxydable et amagnétique est présente de plus à l'état vieilli, une excellente tenue mécanique à chaud jusqu'à 650 degrés. Un tel matériau est généralement élaboré de manière classique par un laminage à chaud, puis traité par un traitement thermique classique de vieillissement de l'alliage d'Inconel de base non écroui, qui est SP 12607.69 PA indispensable pour élever les caractéristiques mécaniques du matériau, mais aussi et surtout pour lui garantir une excellente tenue mécanique à chaud. Sans vouloir été lié par une quelconque théorie, il apparaît qu'un tel traitement de vieillissement entraîne une précipitation d'une phase delta dans la structure métallurgique de l'alliage; et que cette phase assure la stabilité et le maintien des caractéristiques mécaniques à chaud du matériau. Le traitement de vieillissement classique d'un alliage 718 consiste en: - un chauffage à 720 degrés pendant huit heures. - un refroidissement au four à 50 degrés par heure jusqu'à 620 degrés. - un maintien en température à 620 degrés pendant huit heures. - un refroidissement à l'air jusqu'à température ambiante. Or il s'est avéré que le traitement classique de laminage à chaud présentait les inconvénients suivants: - température de mise en solution élevée (à x C pendant y heures) - matériel conséquent - coût de l'ébauche élevé; en particulier lorsqu'il s'agissait de préparer des pièces creuses, massives et longues. Une technique bien connu pour le traitement d'alliages métalliques divers est la technique du fluotournage. La technique du fluotournage consiste à placer une ébauche de pièce sur un mandrin mis en rotation et à provoquer la- déformation plastique de cette ébauche en l'allongeant et en réduisant son épaisseur, au moyen d'une ou plusieurs molettes exerçant une pression élevée sur la pièce. SP 12607.69 PA Cette technique permet de fabriquer des pièces creuses de révolution de faible épaisseur, en des matériaux malléables à température ambiante tels que l'acier, sans aucune soudure. On peut donner à ces pièces, par exemple de forme cylindrique, un diamètre quelconque adapté à l'utilisation envisagée. Des pièces partiellement ou totalement tronconiques peuvent également être fabriquées. Il serait donc intéressant de pouvoir traiter un alliage tel que l'Inconel 718 par fluotournage à froid éventuellement sans vieillissement pour pouvoir surmonter les inconvénients liés par exemple au laminage à chaud. Toutefois, jusqu'à présent, un fluotournage ou un écrouissage à froid de cet alliage Inconel 718 n'a jamais été ni mentionné ni proposé ni même suggéré dans la littérature et aucune étude métallurgique n'a été menée sur ses caractéristiques mécaniques, son comportement à haute température et sur sa structure métallurgique après un fort écrouissage. Le but de la présente invention est d'obtenir par un traitement essentiellement réalisé à froid un matériau inoxydable et amagnétique doté de performances mécaniques équivalentes notamment à hautes températures, à celle d'un Inconel 718 traité de manière classique c'est-à- dire par exemple laminé à chaud puis éventuellement vieilli. Ce but et d'autres encore sont atteints conformément à la présente invention par un procédé de fabrication d'une pièce en alliage Inconel 718 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une opération de fluotournage à froid. Il a été montré selon l'invention que l'Inconel 718, de manière surprenante pouvait être fluotourné et utilisé de façon fiable sans être vieilli. Le fait qu'un alliage tel que l'Inconel 718 puisse subir une opération de fluotournage à froid n'est ni SP 12607.69 PA décrit ni suggéré par l'antérieur et est en soit surprenant, le fait qu'un tel matériau ayant subi une simple opération de fluotournage, puisse en outre être utilisé de façon "fiable" sans être vieilli est encore plus inattendu et va à l'encontre d'un certain nombre de préjugés dans ce domaine de la technique. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention le procédé comprend en outre une opération de traitement thermique, dite opération de vieillissement, afin de communiquer au matériau fluotourné à froid une bonne tenue mécanique à haute température. Il a en effet été montré que l'Inconel 718 fluotourné par exemple au delà d'un taux de réduction de 50% ne pouvait être vieilli à l'aide du traitement de vieillissement classique tel que décrit plus haut car un tel traitement induit une fragilisation excessive du matériau. L'invention a donc également pour objet une opération de traitement thermique ou de vieillissement spécifique, adapté à un Inconel 718 ayant subi une opération de fluotournage à froid selon l'invention. Ainsi l'invention a également pour objet un procédé comprenant, outre l'opération de fluotournage, un traitement thermique de vieillissement dont les paramètres spécifiques sont adaptés à un matériau écroui ayant subi une opération de fluotournage. Selon l'invention, le matériau subit au moins une opération de fluotournage, qui peut être réalisée dans tout outillage de fluotournage classique qui comporte principalement par exemple un mandrin, généralement deux ou trois molettes et des moyens permettant de solidariser en rotation l'ébauche de pièce du mandrin. Cet outillage est monté sur une machine qui s'apparente à un tour classique. Cette machine possède un banc supportant un chariot portemolettes, une broche transmettant son mouvement de rotation au mandrin et une SP 12607.69 PA contre-pointe qui fait office de serre-flanc solidarisant en rotation l'ébauche de pièce du mandrin. Selon l'invention, ce fluotournage est réalisé à froid c'est-à-dire de préférence à une température de 15 à 50 C et généralement à la température ambiante. Les paramètres de l'opération de fluotournage peuvent être facilement déterminées par l'homme du métier dans ce domaine de la technique, en recourant éventuellement éventuellement à quelques essais de routine, ainsi le taux d'écrouissage ou de réduction sera généralement de 10% à %, et de préférence de 30 à 70%. De tels taux-de réduction permettent d'obtenir un Inconel 718 qui peut être utilisé de façon stable sans être vieilli. Les caractéristiques mécaniques d'un matériau ainsi traité sont généralement les suivantes: Résistance à la rupture (Rm): de 1100 à 1900 Mpa, Résistance élastique (Rpo,2): de 700 à 1500 Mpa, Allongement inférieur à 1 à 30%. De préférence toutefois on met en oeuvre un taux de réduction n'excédant pas 70% car, généralement, au delà de cette limite, le matériau présente un allongement A% et une zone de ductilité trop réduite, et le matériau devient alors excessivement fragile. Si la tenue mécanique à chaud, à haute température, de l'alliage, n'est pas un facteur primordial dans l'utilisation qui doit en être faite, on peut se passer de tout autre traitement thermique, le matériau selon l'invention alors simplement écroui à froid, présentant déjà des performances mécaniques excellentes à température ambiante. On pourra même augmenter encore le taux d'écrouissage appliqué à froid au matériau pour obtenir des performances mécaniques encore supérieure. SP 12607.69 PA Cependant, selon une forme de réalisation de l'invention, convenant particulièrement dans le cas o la tenue mécanique à chaud du matériau est primordiale, le procédé comprend en outre, suite à l'opération de fluotournage à froid, une opération de traitement thermique, dite opération de vieillissement, afin de communiquer au matériau une bonne tenue mécanique à haute température. Par bonne tenue mécanique on entend que le matériau ainsi traité, est doté de performances mécaniques au moins équivalentes à hautes températures à celle d'un Inconel 718 traité de manière classique, c'est-à-dire laminé à chaud puis vieilli. Il a été montré, comme on l'a déjà mentionné plus haut que l'Inconel 718 fluotourné à froid selon l'invention, et au delà d'un certain taux de réduction, par exemple 50%, ne pouvait être traité thermiquement, ou vieilli, à l'aide du traitement de vieillissement classique tel qu'il est couramment appliqué à un Inconel 718 laminé à chaud. L'invention concerne donc également un traitement thermique de vieillissement spécialement adapté à un Inconel 718 fluotourné à froid caractérisé par des paramètres de traitement spécifiques. Parmi la multitude de traitements thermiques possibles qui peuvent être appliquées à l'Inconel 718, parmi lesquels on peut citer le système consistant en un chauffage et en un maintien en température à double palier, ou encore les traitements décrits dans le brevet FR-A-2 722 510, on a pu mettre en évidence de manière surprenante selon l'invention, qu'un traitement thermique de vieillissement spécifique comportant un chauffage jusqu'à une température de préférence de 400 à 600 C par exemple de 450 à 550 C et le maintien à cette température pendant une durée de préférence de 10 à 20 heures par exemple environ 16 heures permettrait d'obtenir un matériau gardant des SP 12607.69 PA caractéristiques mécaniques élevées à haute température, similaires voire supérieures par exemple à celles d'un même matériau élaboré puis traité de manière classique. Un tel traitement de vieillissement permet de traiter des Inconel qui ont été préalablement écroui à froid à un taux d'écrouissage élevé pouvant atteindre 60, 70% et même plus et d'obtenir un matériau final présentant d'excellentes caractéristiques mécaniques et en particulier une ductilité suffisante, la ductilité étant définie par exemple, par un A% supérieur de préférence à 3%. Un tel compromis, atteint grâce au traitement thermique de vieillissement spécifique selon l'invention, rend l'opération de fluotournage à froid économiquement rentable. Avantageusement, et selon une forme de réalisation particulièrement préféré de l'invention, il a été mis en évidence que la meilleure configuration entre le taux d'écrouissage appliqué au matériau, le traitement de vieillissement et la ductilité résultante obtenue, était obtenu avec un taux de réduction de 60% lors de l'opération de fluotournage à froid accompagné d'un traitement de vieillissement à 450 C pendant une durée de 16 heures. Le matériau final obtenu suite au traitement de vieillissement selon l'invention présente d'excellentes caractéristiques mécaniques à température ambiante définies par exemple par une résistance à la rupture généralement de 1500 à 1700 MPa, une résistance élastique généralement de 1400 à 1600 MPa, et un allongement généralement de 1,8 à 4 % et un module de YOUNG généralement de 195000 à 230000 MPa. Ce matériau présente également d'excellentes caractéristiques mécaniques à chaud. Par "caractéristiques mécaniques à chaud ou à haute température", on entend par exemple les caractéristiques mécaniques à une température supérieure à 650 C, par exemple voisine de 750 C. Une telle température est couramment rencontrée par le matériau SP 12607.69 PA lorsqu'il est par exemple soumis à un cycle thermique de chauffage classique auquel sont soumises les pièces en de tels alliages, qui se compose de: - une montée rapide en température: 150 C en une minute, - une montée en température régulière jusqu'à 750 pendant environ 6 minutes, un maintien en température à 750 pendant environ 2 minutes. Les caractéristiques mécanique à chaud du matériau fluotourné puis vieilli selon l'invention sont par exemple les suivantes à une température de 750 C: - résistance à la rupture Rmax: 700 à 750 Mpa, - résistance élastique: 600 à 650 Mpa, - allongement: 15 à 17 %, - Module de YOUNG: 145000 à 160000 MPa Les pièces qui sont fabriquées par le procédé selon l'invention sont de nature diverse quant à leur forme, et à leur taille. Grâce à l'invention on peut notamment obtenir par fluotournage puis éventuellement par traitement thermique de vieillissement des corps ou structures cylindriques à très haute caractéristiques mécaniques, ces corps ou structures cylindriques en particulier de grande longueur, par exemple de 0,5 à 2,5 m, mais de faible épaisseur par exemple de 0,7 à 3 mm peuvent être utilisés par exemple comme réservoirs ou comme structure de propulseur pour l'industrie aéronautique. Il est bien évident que le procédé selon l'invention pourra être utilisé dans d'autres types d'industries telles que celle de l'armement, de l'aviation ou du nucléaire. Les exemples suivants décrivent et illustrent l'invention: SP 12607.69 PA EXEMPLE 1 Dans cet exemple, le matériau à traiter qui est un alliage Inconel 718 de deux fournisseurs différents à savoir les variétés AUBERT et DUVAL, et TELPHY a été fluotourné à froid, à température ambiante (à savoir 20 C) à différents taux d'écrouissage: 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, %. La résistance mécanique des alliages fluotournés a été caractérisée par la mesure de la résistance à la rupture (Rm), de la résistance élastique, et de l'allongement (A%). Les résultats obtenus pour les caractéristiques mécaniques des Inconel à l'état "brut de fluotournage" sont regroupés dans les tableaux I et II suivants: pour des Inconel 718 fournis respectivement par les Sociétés TECPHY et AUBERT et DUVAL. SP 12607.69 PA Vo 69'LO9ZI dS 6':ú0 ow m'vow L'Zi uu08ú 19ubÀow oZz; ow G 8; 'úZ 6Z 06ú1 08bl HlI I.Z91úZLIú'[ú' G.b Z;'l 0B1 1.6ú 8ú E ZZ91úL Z'ú'L %/O80 un b 8'1. S'Z; LZ Zbl úLI 9b91OLUV'C' r bO 'ow bbl 6'Z '; Eú 08ZI 9f91 S9l /_lt'01. :o 9"ItU ':fw OL U'J,"IzOLb ooCI.OUJ t"Oe I.4OU gzI.:OL OI.g!, :OUJl,:OU L9, 9' b 9Lú, ú9ZI 8191 86bl 091,ú'01, Sb 6%' I,' bZIl ú;1,9 1. úZSg 67,91Z'OI o/:O 9'b S OLZI 9ú91 úú91 101 LUuú'úAOLUg'gZLUuI'IZ.VLU8SZ.:/Uu 6I,1zl, ZelAAUu81,olmoLu I'b ú 8'b ú1ZI 8Sú1 Oggl 091, úZSI6'6 S'bf b'ú 6'9 9SSI S9ZI ZúI. Zú51 St51 8'6% /0dO : Z'b' 9'ú 6'S, U II,I SúS 9bbl S8bl '6 ",AOuu1'97ouu6úZIowOZIouú6bl OPUOúbl vOLU 8' Z'9 úLZI 9Z:ú16, S1 Zúbl 9'6 b'b 9'9 bSII Z9ZI 06l 8bll S'6 %0O 6'b S9' 1,6.I S1ú6bl 9Zbl_ " 6 Z'EúÀOLzPÀttu0'9840Nú Z I A4tL09u:40tUL6ú1*cUú/ 1AU9ZWkOtU Sú' I' 8 0ú11 ib9ZI z8, ZJú1 ZZú1 ú'6 6'Z 9'b 6' 81ZI LZI 86ú1 L9ú1 0ú1 Z'6 %Oú b'ú 6'ú Z'8 IZú1 81ZI 90b1 6/ú1 úZú1 1'6 jn a:1 s jn r:lee s na pesjnar s_4 suas Q. suas s,,f, suas sU.q sW u s_ suas u: ua neauue. a r'-,:i s neauueap ap xn.E (W. UW)lV% (EdV/Y ld (EdVIU" Il apparaît au vu des tableaux I et II que l'Inconel 718, peut, conformément à l'invention, être fluotourné et utilisé de façon fiable sans être vieilli jusqu'à un taux de réduction élevé, par exemple de 70%. Au-delà, le matériau présente généralement un allongement A% et une zone de ductilité trop réduite. EXEMPLE 2 Dans cet exemple, l'Inconel 718 fourni par deux Sociétés différentes: AUBERT et DUVAL, et TECPHY, qui a été fluotourné à froid conformément à l'EXEMPLE 1 à des taux d'écrouissage différents a été vieilli suivant le traitement classique déjà décrit ci-dessus à savoir: - un chauffage à 720 pendant huit heures, - un refroidissement au four à 50 par heure jusqu'à 620 , - un maintien en température à 620 pendant huit heures, - un refroidissement à l'air jusqu'à la température ambiante. Les tableaux III et IV regroupent les caractéristiques mécaniques à température ambiante des Inconel à l'état fluotourné et vieillis par le traitement classique des Inconel 718 fournis respectivement par les Sociétés AUBERT et DUVAL et TECPHY. TABLEAU III taux de réduction référence Rm(MPa) R0,2 (MPa) A% % 9,21 1714 1683 2,3 9,22 1686 2,7 % 9,71 1830 1697 0,9 9,81 1960 1835 0,9 % 10,11 1940 1851 1,1 ,12 1920 1829 0,85 SP 12607.69 PA TABLEAU IV taux de réduction Rm(MPa) Ro,2(MPa) A% 1670 1310 1,8 % 1652 1305 1,9 1679 1334 moy:1667 moy:1316 moy:1,8 1766 1477 1,4 % 1766 1404 1,5 1815 1,4 moy:1782 moy:1440 moy:1,4 1909 1650 1,1 % 1841 1640 1,2 1878 1660 1,2 moy:1876 moy:1650 moy:l,1 1936 1630 1 % 1931 1650 0,5 moy:1934 moy:1640 moy:0,7 2034 1700 0,6 % 2060 1670 0,7 moy:2047 moy:1685 moy:0,6 2048 1980 0,9 % 2022 1970 moy:2049 moy:1975 moy: EXEMPLE 3 Dans cet exemple, qui vise à mettre en évidence l'influence d'un traitement thermique de vieillissement sur un matériau écroui conformément à l'invention, un traitement thermique de vieillissement consistant en un chauffage et en un maintien en température à 450 C pendant 16 heures a été mis en oeuvre. Les résultats concernant les mesures de résistance mécanique à température ambiante pour respectivement des éprouvettes en métal de base, en métal fluotourné, et en métal fluotourné et ayant subi un traitement de vieillissement sont donnés ci-après. Résistance mécanique du métal de base. - Résistance à la rupture: 891 MPA, SP 12607.69 PA - Résistance élastique: 504 MPA, - Allongement (A%):46,7%. Résistances mécaniques du matériau obtenu après fluotournage - Taux de réduction appliqué: 60% - Résistance à la rupture: 1600 MPA, - Résistance élastique: 1300 MPA, - Allongement (A%): 4,5%. Résistances mécaniques du matériau obtenu après traitement de vieillissement et à température ambiante - Résistance à la rupture: 1630 MPA, - Résistance élastique: 1530 MPA, - Allongement (A%): 3,6%. EXEMPLE 4 Cet exemple est relatif à la caractérisation à chaud du matériau obtenu conformément à l'invention après le traitement de fluotournage et un traitement thermique de vieillissement selon l'invention. Le cycle thermique mis en oeuvre pour effectuer cette caractérisation à chaud du matériau correspond à des cycles thermiques utilisés dans ce domaine de la technique, ce cycle se compose de: - une montée rapide en température: 150 C en une minute, - une montée en température régulière jusqu'à 750 C pendant environ 6 minutes, - un maintien en température à 750 C pendant environ 2 minutes. Les essais pratiqués ont consisté à rompre des éprouvettes de traction, chauffées par effet joule, à une température de consigne déterminée. Les différents résultats des essais de traction à haute température sont regroupés dans le tableau V suivant: SP 12607.69 PA TABLEAU V repère des Rmax Rp 0,2% A% E MPA. éprouvettes (Mpa) (Mpa) L0=22mm 1 734 635 15 151000 2 725 601 16 157000 3 711 622 17 147000 moyennes 723 619 16 152000 A 750 degrés le matériau perd 55% de sa résistance à la rupture, 59% de sa résistance élastique et augmente son module d'élasticité de 32%. EXEMPLE 5 (COMPARATIF) Dans cet exemple et à des fins de comparaison, des essais analogues à ceux des exemples précédents ont été effectués afin de comparer les valeurs des caractéristiques mécaniques obtenues par un traitement conforme à l'invention comportant une étape de vieillissement selon l'invention et les valeurs de traction à hautes températures d'un matériau identique mais usiné dans des barres laminées à chaud, ce qui constitue un mode d'obtention tout à fait usuel et classique. Ces éprouvettes de comparaisons ont été traitées à l'aide du traitement de vieillissement classique c'est-à- dire chauffage à 720 degrés pendant huit heures, maintien à température à 620 degrés pendant huit heures suivi d'un refroidissement lent à l'air. Les valeurs obtenus pour le matériau élaboré de façon traditionnelle sont: A température ambiante: Résistance à la rupture: 1375 MPA SP 12607.69 PA Résistance élastique: 1200 MPA Allongement (A%):26% Module d'YOUNG: 200000 MPA A 750 degrés Résistance à la rupture: 780 MPA Résistance élastique: 750 MPA Allongement (A%): 14% Module d'YOUNG: 142000 MPA Nous pouvons observer que les résultats métallurgiques observés à une température de référence de 750 degrés sur ces deux matériaux sont très voisins. Cela montre qu'à haute température, le matériau fluotourné puis vieilli selon l'invention perd de ses caractéristiques mécaniques mais reste cependant dans une plage identique à celle du même matériau élaboré et traité de façon classique. SP 12607.69 PA REVENDICATIONS 1- Procédé de fabrication d'une pièce en alliage Inconel 718 caractérisé en ce qu'il comprend au moins une opération de fluotournage à froid. 2Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'opération de fluotournage à froid est réalisée à un taux de réduction de 10 à 90%. 3- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit taux de réduction est de 30 à 70%. 4- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que suite à l'opération de fluotournage à froid, la pièce est soumise à un traitement thermique de vieillissement afin de communiquer à l'alliage Inconel 718 une bonne tenue mécanique à haute température. 5- Procédé- selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit traitement: thermique de vieillissement comprend un chauffage de la pièce jusqu'à une température de 400 à 600 C et le maintien à cette température pendant une durée de 10 heures à 20 heures. 6- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pièce est chauffée jusqu'à une température de 450 à 550 C et qu'il est maintenu à cette température pendant une durée d'environ 16 heures. 7- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce présente une forme cylindrique. SP 12607.69 PA 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pièce est un réservoir ou une structure de propulsion. SP 12607.69 PA