Brevet FR2883216A1 — publié le 20060922

-i - Le grenaillage de précontrainte est une technique de mise en compression superficielle de pièces métalliques. Dans le domaine des turbomachines, aéronautiques notamment, on met en oeuvre une telle technique pour améliorer la durée de vie des pièces soumises à de fortes contraintes tant mécaniques que thermiques. On traite ainsi en particulier les aubes ou bien les disques. La technique de grenaillage consiste en un martelage à la grenaille sphérique, io qui a pour but de créer des contraintes résiduelles en surface des pièces métalliques. Cette précontrainte de compression vise à retarder l'apparition de criques ou refermer les lèvres de fissures existantes. Il s'ensuit une augmentation de leur tenue mécanique. Selon une méthode conventionnelle, on utilise des billes en un matériau dur tel que le verre, une céramique ou bien l'acier que l'on projette à grande vitesse sur la surface des pièces à traiter. La projection est faite dans une machine à turbine ou bien par entraînement dans un flux gazeux, l'air, au moyen d'une buse par exemple. Le gaz est soumis à une détente et les billes sont introduites dans le flux créé par la détente. Sous l'action du martelage des billes, la surface, ayant dépassé la limite d'élasticité se déforme, créant une couche sous-jacente de métal en compression. Les contraintes internes dans cette couche s'opposent à la déformation permanente de la couche superficielle. L'équilibre entre ces deux forces crée des tensions superficielles qui améliorent ainsi la résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion et le coefficient de frottement. Le choc des billes crée des contraintes de compression dans le métal jusqu'à une profondeur de quelques dixièmes de millimètre. Lorsqu'elle est appliquée sur les pièces balayées en surface par les gaz et dont l'état de surface doit être fin pour éviter les frottements aérodynamiques se traduisant par des pertes de rendement, ou bien sur des pièces sensibles à l'intégrité de surface comme un disque en alliage de titane ou en super alliage obtenu par la métallurgie des poudres, cette méthode conventionnelle présente l'inconvénient de dégrader les états de surface fins et de limiter partiellement l'effet bénéfique sur la durée de vie en raison de la création de micro entailles. Des méthodes connues, comme le polissage électrolytique sur aluminium, permettent de réduire les effets d'entaille dus au grenaillage sur l'état de surface mais elles sont de mise en oeuvre complexe. D'autres méthodes de mise en compression, comme le traitement par choc laser ou bien par ultrasons permettent des états de surface fins, mais elles sont plus complexes et moins répandues. Cette dernière méthode, le grenaillage US, est décrite io dans les demandes de brevet EP1208942 ou EP1207013 au nom de la demanderesse, et consiste à mettre des billes en mouvement sous la forme d'un brouillard de billes créé, dans une enceinte étanche renfermant la pièce à traiter, par la surface active d'une sonotrode excitée par des moyens de production d'oscillation ultrasonores. Dans la demande EP 1207013 en particulier, la méthode développée a pour but de remédier à l'augmentation de la rugosité des surfaces traitées lorsqu'un grenaillage de forte intensité est appliqué. Dans les applications sur des turbomachines aéronautiques, il est d'intensité Almen de l'ordre de F15A à F 17A, pour créer à la surface de la pièce, en acier, en alliage de titane ou en superalliage à base de chrome ou de nickel, une précontrainte de compression de l'ordre de 900 à 1100 MPa. On rappelle que l'intensité Almen, qui fait l'objet d'une norme, du nom de son inventeur, est mesurée à partir d'une éprouvette plane standardisée, fixée sur un support standardisé, et soumise aux mêmes conditions de grenaillage que la pièce à traiter. Après libération de son support, cette éprouvette présente une déformation sous forme de flèche, qui résulte des contraintes résiduelles introduites. Au moyen d'un comparateur spécifique appelé "Jauge Almen", on mesure la flèche résiduelle. Cette flèche dépend du temps de saturation. Un moyen pour réduire la rugosité induite par le grenaillage conventionnel consiste à réaliser celui-ci en plusieurs passes d'intensité décroissante, comme cela est mentionné dans l'article: le grenaillage de précontrainte publié en 1992 par le CETIM, pages 105-123. En effet le grenaillage fort au départ augmente la rugosité et les suivants, de plus en plus légers la réduisent en nivelant la surface grenaillée. Cependant cette solution est longue du fait précisément des opérations successives de grenaillage, et est limitée en terme de résultats à une valeur de Ra de 0,8 m. La demanderesse s'est fixé comme objectif de réaliser le grenaillage d'une pièce métallique, selon la technique conventionnelle de projection de billes sur la surface à traiter, notamment dans un flux de gaz comprimé, affectant io aussi peu que possible l'état de surface de la pièce à traiter. Conformément à l'invention, on parvient à réaliser un tel objectif avec un procédé caractérisé par le fait que l'on applique sur la surface, avant l'étape de projection des billes, un revêtement de protection présentant des propriétés is mécaniques telles que la rigidité et l'élasticité permettant de transmettre à la couche de métal sous jacente l'énergie produite par les chocs, tout en étant résistant à l'abrasion. Grâce à cette protection, l'état de surface n'est pas affecté par le traitement. La méthode s'applique en particulier à des pièces demandant un état de surface fin. La valeur de la rugosité peut être aussi faible que Ra= 0, 4 m. Conformément à une caractéristique particulière, le revêtement est une résine rigide, notamment phénolique ou polyuréthane. Plus précisément, l'épaisseur du revêtement est comprise entre 10 et 1501um et plus particulièrement entre 10 et 3011m. La nature de la couche et son épaisseur dépendent de l'intensité Almen de grenaillage visée. Le revêtement est sélectionné sur des critères de tenue par des essais spécifiques tels qu'à l'abrasimètre ou en essais partiels technologiques (essais sur des éprouvettes ou des portions de pièces. Pour un grenaillage de faible intensité, appliqué par exemple aux aubages en titane, le revêtement est de préférence une résine phénolique. Il est déposé de préférence par dépôt électrolytique. Pour un grenaillage d'intensité moyenne, on applique par exemple un revêtement à base de résine de polyuréthane. Le revêtement est de préférence formé par trempé. Pour un grenaillage d'intensité forte, on applique avantageusement un revêtement métallique par zincage, étamage ou nickelage. Ce type de revêtement est de préférence réservé aux substrats en acier ou en superalliage. Il est formé dans un bain fondu et son épaisseur est, de préférence, inférieure ou égale à 20 m. i0 Le revêtement doit en outre présenter la propriété de pouvoir être éliminé de la surface par un procédé n'altérant pas la surface du substrat et ne relaxant pas les contraintes induites par le grenaillage. Pour les revêtements métalliques, en particulier, on doit tenir compte cependant de leur capacité à pouvoir être éliminés sans que le substrat soit endommagé. Le procédé peut consister par exemple en une dissolution chimique dans un solvant pétrolier ou une attaque acide ou passive. Conformément à une mise en oeuvre particulière, le revêtement étant une résine phénolique de 101.tm à 30 m d'épaisseur, on applique une intensité Almen maximale de F 15N avec des billes de verre ou céramiques. Conformément à une autre mise en oeuvre, le revêtement est obtenu par le dépôt d'un alliage de nickel cobalt d'épaisseur de 15 m à 201.tm. Le grenaillage est effectué avec comme projectile du fil coupé rodé avec une intensité Almen de F 15A, sur une pièce en superalliage. On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement une surface en cours de traitement selon l'art antérieur. - la figure 2 représente schématiquement une surface en cours de traitement conformément à l'invention. - la figure 3 montre un profil de contrainte résiduelle après traitement de grenaillage conforme à l'invention. La méthode conventionnelle de traitement d'une pièce métallique 1 consiste à en marteler la surface par projection de billes 10. On utilise de préférence comme vecteur un flux gazeux produit par détente à travers une buse 20. On déplace la buse parallèlement à la surface de la pièce 1 ou bien la pièce par rapport à la buse, pour couvrir la surface à traiter. L'action des billes conduit à io une précontrainte de compression du métal sur une profondeur qui peut être de quelques dixièmes de millimètre. Le résultat dépend essentiellement de l'intensité du grenaillage. On est conduit à contrôler plusieurs facteurs: la nature des billes, leur forme, leur granulométrie et leur dureté, la vitesse de projection des billes, leur débit et la durée du traitement, l'angle de la buse, compris généralement entre 40 et 90 . Sans protection particulière, le traitement conventionnel, sur une pièce réalisée par usinage fin, conduit à une augmentation de la rugosité Ra. Comme on l'a mentionné par exemple dans la demande EP1207013, la rugosité Ra d'une surface fraisée (Ra = 0,27 gm) ou tournée (Ra=0,90 m) augmente sensiblement après un traitement conventionnel par projection de billes dans un flux d'air comprimé. Selon l'exemple rapporté dans la demande de brevet ci-dessus, après un grenaillage conventionnel d'indice Almen égal à F 17A avec des billes dont le diamètre est de 0,315 mm, et mise en précontrainte sous la surface grenaillée atteignant 1000 MPa, l'augmentation de la rugosité était respectivement de 1,26 m et 1,04 m. Les raisons viennent du fait que les billes créent des déformations, des impacts anguleux, voire des cratères par érosion de la surface des pièces. Ces défauts sont amplifiés dans le cas d'impacts rasants. Conformément à l'invention, comme on le voit sur la figure 2, on protège la surface à traiter au moyen d'un revêtement 3 dont la fonction est d'en éviter l'augmentation de rugosité tout en permettant une mise en compression à la surface de la pièce. Le matériau dont il est constitué doit satisfaire à d'autres conditions liées à la nature du produit. En particulier, il ne doit pas contaminer la surface de la pièce notamment par diffusion d'un élément tel que l'hydrogène. Il doit pouvoir être éliminé facilement après grenaillage par un traitement industriel, et sans altération de la surface métallique traitée. io Ainsi conformément à mode de réalisation de l'invention, on dépose une résine phénolique rigide et résistant à l'abrasion, sur la surface à traiter. Cette couche présente une résistance et une épaisseur suffisantes pour ne pas être dégradée ou éliminée pendant toute la durée du grenaillage. Avantageusement, cette couche de résine phénolique a une épaisseur comprise entre 10 et 30 m. Elle est déposée par une technique connue de trempé, de préférence par cataphorèse, suivi d'une polymérisation pour obtenir une couche jusqu'à 30 m d'épaisseur. La méthode de grenaillage d'une pièce selon l'invention comprend les étapes suivantes. On considère que la pièce présente l'état de surface définitif, adapté à l'utilisation à laquelle elle est destinée. La pièce a été notamment usinée et éventuellement polie. Le revêtement est déposé en surface de la pièce selon les critères déterminés par le résultat recherché en termes de contrainte résiduelle et d'état de surface final. La pièce ainsi préparée est soumise au traitement de grenaillage de manière à parvenir au résultat souhaité. Après traitement on élimine le revêtement par une méthode qui ne dégrade pas l'état de surface de la pièce. Dans le cas d'une résine phénolique, l'élimination peut être effectuée au moyen d'un solvant approprié. La pièce est prête. A titre d'exemple, on a revêtu une pièce métallique d'une couche de résine phénolique d'épaisseur 30 m. On a procédé à un grenaillage, avec des billes BA315, de la surface avec une intensité Almen de F 10A. On a ensuite éliminé io le revêtement par dissolution dans l'acétone. L'état de surface n'a pas été altéré par le traitement: la rugosité mesurée après le traitement était la même qu'avant; Ra = 0,81am. On a traité une pièce témoin sans protection. La rugosité a augmenté. La valeur Ra est passée de 0,811m à 1,7 - 2,3 m. La figure 3 montre par ailleurs que le dépôt n'affecte pas la qualité du grenaillage. Le graphique donne la valeur en mPa de la contrainte résiduelle mesurée à différentes profondeurs sous la surface. Le profil est en accord avec celui qui serait attendu après un traitement sans protection de la surface. REVENDICATIONS Procédé selon la revendication 1 dont le revêtement (3) est une résine rigide, telle qu'une résine phénolique appliquée par dépôt électrolytique. Procédé selon la revendication 1 dont le revêtement (3) est une résine rigide, telle qu'une résine polyuréthane appliquée par trempé. Procédé selon la revendication 2 ou 3 dont l'épaisseur du revêtement (3) est comprise entre 10 et 1501um, de préférence entre 10 et 30 m. Procédé selon la revendication 1, dont le revêtement est métallique, à base notamment d'étain, zinc ou de nickel. Procédé selon la revendication précédente dont le revêtement est formé dans un bain fondu. Procédé selon la revendication 4 dont l'épaisseur du revêtement est inférieure ou égale à 20 m. Procédé selon la revendication 1, le revêtement (3) étant une résine phénolique, selon lequel on applique un grenaillage d'intensité Almen maximale de F 15N avec des billes (10) de verre ou céramiques. 1) Procédé de grenaillage d'une pièce (1) métallique par projection de billes sur la surface à traiter, notamment au moyen d'un flux de gaz comprimé, caractérisé par le fait que l'on applique sur la surface, avant l'étape de projection des billes (10), un revêtement (3) de protection présentant des propriétés mécaniques, telles que la rigidité et l'élasticité, permettant de transmettre l'énergie des chocs à la couche de métal tout en étant résistant à l'abrasion. i0 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) Procédé selon la revendication précédente dont l'épaisseur du revêtement est compris entre 10 m et 301am. 10) Procédé selon la revendication 1, le revêtement (3) étant un alliage de 5 nickel cobalt, selon lequel on applique une intensité Almen maximale de F 15A avec un projectile constitué de fil coupé rodé. 11) Procédé selon la revendication précédente dont l'épaisseur du revêtement est comprise entre 15 m et 20 m. io