Brevet FR2885141A1 — publié le 20061103

L'invention concerne un acier martensitique durci par un système duplex, c'est-à-dire par une précipitation de composés intermétalliques et de carbures obtenue grâce à une composition de l'acier et un traitement thermique de vieillissement appropriés. Cet acier doit avoir: une très haute résistance mécanique, mais en même temps une ténacité et une ductilité élevées, autrement dit une faible sensibilité à la rupture fragile; cette très haute résistance doit subsister à chaud, c'est-à-dire à des températures de l'ordre io de 400 C; de bonnes propriétés en fatigue, ce qui implique notamment l'absence d'inclusions nocives telles que des TiN et des oxydes; cette caractéristique doit être obtenue par une composition appropriée et des conditions d'élaboration du métal liquide soignées. De plus, il doit être cémentable et nitrurable, de manière à pouvoir durcir sa surface pour lui conférer une bonne résistance à l'abrasion. La principale application envisagée pour cet acier est la fabrication d'arbres de turbines, notamment pour réacteurs d'avions. La nécessité d'une excellente résistance mécanique à chaud empêche d'utiliser, dans cette application, des aciers au carbone dont la résistance se dégrade à partir de 200 C. On utilise habituellement des aciers maraging qui ont une résistance satisfaisante jusqu'à 350-400 C. Au dessus, il se produit un revenu qui modifie leur structure. II a été proposé dans le document US-A-5,393,388 une composition d'acier visant à améliorer la tenue à chaud et surtout à améliorer les propriétés en fatigue, la ductilité et la ténacité. Cette composition a l'inconvénient d'exiger une teneur en Co élevée (8 à 16%), ce qui rend l'acier très coûteux. Le but de l'invention est de proposer un acier utilisable, notamment, pour fabriquer des pièces mécaniques telles que des arbres de turbine, ou des éléments de structure, présentant une résistance mécanique à chaud encore améliorée mais aussi des propriétés en fatigue et une fragilité toujours adaptées à ces usages. Cet acier devrait également avoir un coût d'élaboration plus faible que les aciers les plus performants connus actuellement pour ces usages. A cet effet, l'invention a pour objet un acier caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux: -C=0,18-0,30% - Co = 5 -7% Cr = 2 - 5% - Al=1-2% - Mo+W/2:=1-4% io -V=traces-0,3% - Nb = traces - 0, 1% - B = traces - 50 ppm - Ni= 10,5-É15%avec Ni?7+3,5AI - Si = traces - 0, 4% - Mn = traces - 0,4% - Ca = traces - 500 ppm - Terres rares = traces 500 ppm - Ti = traces - 500 ppm - O = traces - 200ppm si l'acier est obtenu par métallurgie des 20 poudres, ou traces - 50 ppm si l'acier est obtenu par élaboration à l'air ou sous vide à partir de métal liquide - N = traces -100 ppm - S = traces - 50 ppm - Cu = traces - 1% -P = traces É200 ppm le reste étant du fer et des impuretés inévitables résultant de l'élaboration. De préférence il contient C = 0,20 - 0,25%. De préférence il contient Cr = 2 - 4%. De préférence il contient Al = 1 - 1,6%, mieux 1,4 - 1,6%. De préférence il contient Mo 1% De préférence il contient Mo + W/2 = 1 - 2%. De préférence il contient V = 0,2 0,3%. De préférence il contient Nb = traces 0,05%. De préférence il contient Si = traces 0,25%, mieux traces 0, 10%. De préférence il contient Mn = traces 0,25%, mieux traces 0,10%. De préférence il contient Ti = traces 100 ppm. De préférence il contient O = traces 10 ppm. De préférence il contient N = traces 50 ppm, mieux traces 10 ppm. De préférence il contient S = traces 10 ppm, mieux traces 5 ppm. De préférence il contient P = traces 100 ppm. io De préférence sa température de transformation martensitique Ms est supérieure ou égale à 140 C, avec Ms = 550 350 x C% - 40 x Mn% - 17 x Cr% - 10 x Mo% - 17xNi%-8xW%-35xV%-10xCu%-10xCo%+30xAl% C. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes avant le is parachèvement de la pièce lui procurant sa forme définitive: -la préparation d'un acier ayant la composition précédente; - le forgeage de cet acier; - un revenu d'adoucissement à 600-675 C pendant 4 à 20h suivi d'un refroidissement à l'air; - une mise en solution à 900-1000 C pendant au moins l h, suivie par un refroidissement à l'huile ou à l'air suffisamment rapide pour éviter la précipitation de carbures granulaires dans la matrice d'austénite; - au moins un traitement cryogénique à -50 C ou plus bas, de préférence à -80 C ou plus bas, pour transformer toute l'austénite en martensite, 25 la température étant inférieure de 200 C ou davantage à ms, au moins un desdits traitements durant au moins 2h; optionnellement un traitement d'adoucissement de la martensite brute de trempe effectué à 150-250 C pendant 4-16h, suivi par un refroidissement à l'air calme; - un vieillissement de durcissement à 475-600 C, de préférence de 490-525 C pendant 5-20h. L'invention a également pour objet une pièce mécanique ou pièce pour élément de structure, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée selon le procédé précédant. II peut s'agir d'un arbre de turbine de réacteur. Comme on l'aura compris, l'invention repose d'abord sur une composition d'acier qui se distingue de l'art antérieur notamment par une teneur en Co plus réduite. Les teneurs des autres éléments d'alliage sont ajustées en conséquence, notamment les teneurs en Al, Mo, W, Ni. Un traitement thermique optimisé est également proposé. io Ces aciers ont un écart plastique (écart entre résistance à la rupture Rm et résistance à l'allongement Rpo,2) intermédiaire entre ceux des aciers au carbone et des maragings. Pour ces derniers, l'écart est très faible, procurant une limite élastique élevée, mais une rupture rapide dès qu'elle est franchie. Les aciers de l'invention ont, de ce point de vue, des propriétés ajustables par la proportion des phases durcissantes et/ou du carbone. L'acier de l'invention peut être usiné à l'état trempé, avec des outils adaptés à une dureté de 45HRC. Il est intermédiaire entre les maragings (usinables bruts de trempe puisqu'ils ont une martensite douce à bas carbone) et les aciers au carbone qui doivent être usinés à l'état recuit. L'invention repose sur l'obtention d'un durcissement réalisé conjointement par des intermétalliques de type p-NiAl et par des carbures de type M2C, et sur la présence d'austénite de réversion formée lors du vieillissement de durcissement, qui donne de la ductilité à la martensite par formation d'une structure sandwich (quelques % d'austénite de réversion entre les lattes de martensite). Il faut éviter de former des nitrures, de Ti et d'Al notamment, qui sont fragilisants: on élimine donc toute addition de Ti (maximum autorisé : 500ppm, mieux encore 100ppm), et on limite N autant que possible, en le fixant pour éviter la formation de AIN. Les carbures M2C de Cr, Mo, W et V contenant très peu de Fe sont privilégiés pour leurs propriétés durcissantes et non fragilisantes. Ils sont stabilisés par Mo et W. La somme de la teneur en Mo et de la moitié de la teneur en W doit être d'au moins 1%. Il ne faut pas dépasser Mo + W/2 = 4% pour ne pas détériorer la forgeabilité et ne pas former des intermétalliques de la phase p de type Fe7Mo6 (voir aussi Cr et V). De préférence, Mo + W/2 est compris entre 1 et 2%. Cr et V sont des précurseurs à la stabilisation des M2C qui sont des carbures métastables . V forme des carbures qui bloquent les joints de grains et limitent le grossissement des grains lors des traitements thermiques à haute température. II ne faut pas dépasser V = 0, 3% pour ne pas favoriser la formation d'intermétalliques indésirables de phase p. De préférence la teneur en io V est comprise entre 0,2 et 0,3%. La présence de Cr (au moins 2%) permet de diminuer le taux de carbures de V et d'accroître le taux de M2C. Il ne faut pas dépasser 5% pour ne pas former de phase p, puis de carbures M23C6. De préférence on ne dépasse pas 4%. La présence de C favorise l'apparition de M2C par rapport à la phase p. Mais une teneur excessive cause des ségrégations et un abaissement de Ms. Sa teneur doit être comprise entre 0,18 et 0,30%, de préférence 0,20-0, 25%. Co retarde la restauration des dislocations et, donc, ralentit les mécanismes de survieillissement à chaud dans la martensite. Il permet ainsi de conserver une résistance à chaud élevée. Mais on soupçonne que, comme le Co favorise la formation de la phase p précitée qui est celle qui durcit les aciers maraging de l'art antérieur au Fe-Ni-Co-Mo, sa présence massive contribue à diminuer la quantité de Mo et/ou de W disponible pour former des carbures M2C qui contribuent au durcissement selon le mécanisme que l'on veut favoriser. La teneur en Co proposée (5 à 7%), en combinaison avec les teneurs des autres éléments, résulte d'un compromis entre ces divers avantages et inconvénients. Ni et Al sont liés. Si Al est trop élevé par rapport à Ni, on n'a plus de potentiel d'austénite de réversion. Si on a trop de Ni, on réduit trop le taux de phase durcissante type NiAI, et Al reste largement en solution. En fin de trempe, il ne faut pas avoir d'austénite résiduelle, et il faut se retrouver avec une structure martensitique. A cet effet, si on utilise une trempe au CO2 solide, il faut avoir Ms >_ 140 C. Ms est calculée selon la formule classique: Ms = 550 350 x C% - 40 x Mn% - 17 x Cr% x Mo% - 17 x Ni% - 8 x W% - 35 x V% - 10 x Cu% - 10 x Co% + 30 x AI% C. La teneur en Ni doit être ajustée à cet effet en fonction des autres éléments. On doit avoir Al = 1-2%, de préférence 1-1,6%, mieux 1,4-1,6%, et Ni = 10,5-15%, avec Ni > 7 + 3,5 Al. Idéalement on a 1,5% d'Al et 12-13% de Ni. Ces conditions favorisent la présence de NiAI ce qui augmente la résistance à la traction Rm, dont on constate également qu'elle n'est pas détériorée par la teneur en Co relativement basse. La limite élastique Rpo,2 est influencée de la même façon que Rm. Par rapport aux aciers connus de US-A-5 393 388, où on recherche io une présence très élevée d'austénite de réversion pour avoir une ductilité et une ténacité élevée, l'invention privilégie la présence des phases durcissantes B2, notamment NiAI, pour obtenir une résistance mécanique élevée à chaud. Le respect des conditions sur Ni et AI qui ont été données assure une teneur potentielle suffisante d'austénite de réversion pour conserver une ductilité et une ténacité convenables pour les applications envisagées. II est possible d'ajouter B, mais pas plus de 50ppm pour ne pas dégrader la forgeabilité de l'acier. Une caractéristique de l'invention est aussi la possibilité de remplacer au moins une partie de Mo par W. A fraction atomique équivalente, W ségrège moins à la solidification que Mo et apporte de la tenue mécanique à chaud par la formation de carbures très stables en température. Il a l'inconvénient d'être coûteux et on peut optimiser ce coût en l'associant à Mo. Comme on l'a dit, Mo + W/2 doit être compris entre 1 et 4%, de préférence entre 1 et 2%. On préfère conserver une teneur minimale en Mo de 10/0 pour limiter le coût de l'acier. N peut aller jusqu'à 100ppm si on effectue l'élaboration à l'air et si on fixe N dans des carbonitrures de Nb et/ou de V pour éviter de former le nitrure fragilisant AIN. Il est préférable d'effectuer l'élaboration sous vide de manière à avoir N 50ppm, voire 10ppm. Cu peut aller jusqu'à 1%. Il est susceptible de participer au 30 durcissement à l'aide de sa phase epsilon, et la présence de Ni permet de limiter ses effets nocifs. De manière générale, les éléments pouvant ségréger aux joints de grains et les fragiliser, comme P et S, doivent être contrôlés dans les limites suivantes: S = traces - 50ppm, de préférence traces -10ppm, mieux traces 5ppm, et P = traces - 200ppm, de préférence traces -100ppm. On peut utiliser Ca comme désoxydant, en le retrouvant résiduellement au final ( La teneur en oxygène acceptable varie selon que l'acier a été obtenu to par métallurgie des poudres ou par une élaboration à partir de métal liquide à l'air ou sous vide. Dans le premier cas, on tolère une teneur pouvant aller jusqu'à 200 ppm. Dans le deuxième cas, la teneur maximale est de 50 ppm, de préférence 10 ppm. A titre d'exemples, on a testé des échantillons d'acier dont les 15 compositions (en pourcentages pondéraux) sont reportées dans le tableau 1: A B C D E (référence) (référence) (invention) (invention) (invention) C% 0, 233 0, 247 0,239 0,244 0,247 Si% 0,082 0,031 0,031 0,037 0,030 Mn% 0,026 0, 030 0,033 0,033 0,030 S ppm 1,0 7,3 3,8 6,1 6,7 P ppm 54 L'acier de référence B correspond à un acier comparable à l'acier A, auquel on a ajouté du V sans modifier la teneur en Co. L'acier C correspond à l'invention notamment en ce que, par rapport aux aciers A et B, on a augmenté sa teneur en Al et diminué sa teneur en Co. to L'acier D selon l'invention a subi en plus une addition de B. L'acier E selon l'invention a subi en plus une addition de Nb. Ces échantillons ont été forgés à partir de lingots de 200kg en plats de 75 x 35mm dans les conditions suivantes. Un traitement d'homogénéisation d'au moins 16 heures à 1250 C est suivi d'une première opération de forgeage destinée à fractionner les structures grossières des lingots; des demi-produits de section carrée de 75 x 75 mm ont ensuite été forgés après une remise en température à 1180 C finalement, chaque demi-produit a été placé dans un four à 950 C, puis a été forgé à cette température sous la forme de plats de 75 x 35 mm dont la structure granulaire est affinée par ces opérations successives. Après forgeage les échantillons ont subi: - une mise en solution à 900 C pendant 1h puis un refroidissement à l'air; - un traitement cryogénique à -80 C pendant 8h; - un vieillissement de durcissement à 495 C pendant 5h puis un 25 refroidissement à l'air. Les propriétés des échantillons (résistance à la traction Rm, limite élastique RpO,2, élongation A5d, striction Z, résilience KV, dureté HRC, taille du grain ASTM) sont reportées dans le tableau 2. Elles sont ici mesurées à la température ambiante normale. Rm Rp0,2 A5d Z KV HRC Grain (Mpa) (Mpa) (%) (%) (J) ASTM A 2176 1956 11,2 58 25/27 55,3 8 B 2218 2002 9,9 56 26/30 56,3 8/9 C 2316 2135 9, 5 49 20/24 57,6 8 D 2328 1997 8,9 43 21/22 57,9 8 E 2303 1959 10 47 16/19 57,6 9 Tableau 2: Propriétés des échantillons testés On voit que les échantillons selon l'invention C, D et E présentent une résistance à la traction très supérieure à celle des échantillons de référence A et B. La limite élastique est au moins du même ordre de grandeur. En contrepartie io de ce relèvement de la résistance à la traction, les propriétés de ductilité (striction et allongement à la rupture) et de résilience sont abaissées, dans le cas du traitement thermique décrit et appliqué. L'échantillon de référence B montre que la seule addition de V à l'acier A ne procure qu'une amélioration de certaines propriétés, et dans des proportions le plus souvent moins importantes que dans le cas de l'invention. En particulier, l'augmentation de l'Al dans le cas de l'invention, conjuguée au maintien d'une teneur en Ni élevée, rend la phase durcissante NiAI plus présente et est un facteur essentiel de l'amélioration de la résistance à la traction. Les additions de B et Nb des échantillons D et E respectivement ne sont pas nécessaires pour l'obtention des résistances mécaniques élevées visées prioritairement dlans l'invention. Des expériences supplémentaires menées notamment sur l'échantillon C ont permis de déterminer qu'en plus des traitements subis, un revenu d'adoucissement à une température plus élevée que 900 C précédant la mise en solution était nécessaire pour obtenir une complète recristallisation de l'acier lors de la mise en solution. Ce revenu d'adoucissement peut, par exemple, être effectué à 650 C pendant 8h et être suivi d'un refroidissement à l'air. Grâce à cela, les produits bruts de transformation thermomécaniques peuvent subir sans encombres les opérations de parachèvement (redressage, écroûtage, usinage...) conférant à la pièce sa forme définitive. Après ce revenu d'adoucissement à 650 C pendant 8h et refroidissement à l'air, une mise en solution à 935 C pendant 1 heure suivie d'un refroidissement à l'huile, puis un traitement cryogénique à -80 C pendant 8h, puis un détensionnement à 200 C pendant 8h (sur les éprouvettes de traction) ou 16h (sur les éprouvettes de résilience), puis un vieillissement à 500 C pendant 12h suivi d'un refroidissement à l'air, ont permis d'obtenir une taille de gain ASTM de 8 et les propriétés mécaniques suivantes: - en sens long, à 20 C: Rn, = 2271 MPa; Rpo,2 = 1983 MPa; A5d = 15 11,8%; Z=57%; KV= 27J; - en sens travers à 20 C: Rn, = 2273 MPa; RP0,2 = 2023 MPa; A5d = 8,8%; Z=41%; KV=22 24J; - en sens long à 400 C: Rn, = 1833 MPa; Rpo,2 = 1643 MPa; A5d = 11,1%;Z=58%. En sens long à 20 C, on a donc un excellent compromis entre résistance à la traction, ductilité et résilience. En sens travers, les valeurs de résilience demeurent acceptables. Et à 400 C, la résistance à la traction demeure très élevée, et l'acier de l'invention répond donc très bien aux problèmes posés. De manière générale, un mode de traitement thermique optimisé de l'acier selon l'invention pour l'obtention au final d'une pièce présentant les propriétés souhaitées est, après le forgeage de l'ébauche de la pièce et avant le parachèvement procurant à la pièce sa forme définitive: - revenu d'adoucissement à 600-675 C pendant 4 à 20h suivi d'un refroidissement à l'air; - mise en solution à 900-1000 C pendant au moins 1 h, suivie par un refroidissement à l'huile ou à l'air suffisamment rapide pour éviter la précipitation de carbures granulaires dans la matrice d'austénite; - au moins un traitement cryogénique à -50 C ou plus bas, de préférence à 80 C ou plus bas, pour transformer toute l'austénite en martensite, la température étant inférieure de 200 C ou davantage à ms, au moins un desdits traitements durant au moins 2h; -optionnellement un traitement d'adoucissement de la martensite brute de trempe effectué à 150-250 C pendant 4-16h, suivi par un refroidissement l'air calme; - vieillissement de durcissement à 475-600 C, de préférence de 490-525 C pendant 5-20h. io Les applications privilégiées de l'acier selon l'invention sont les pièces d'endurance pour mécanique et éléments de structure, pour lesquelles on doit avoir à froid une résistance à la traction de l'ordre de 2200MPa, combinée à des valeurs de ductilité et de résilience au moins équivalentes à celles des meilleurs aciers à haute résistance, et à chaud (400 C) une résistance à la traction de l'ordre de 1800MPa, ainsi que des propriétés de fatigue optimales. REVENDICATIONS 1. Acier caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux: -C=0,18 0,30% - Co = 5 -7% - Cr = 2 5% -AI=1 2% -Mo+W/2=1 4% - V = traces 0,3% - Nb = traces 0,1% - B = traces 50 ppm - Ni=10, 5 15% avec Ni?7+3,5AI - Si = traces 0,4% - Mn = traces 0,4% - Ca = traces 500 ppm - Terres rares = traces 500 ppm -Ti = traces 500 ppm - O = traces 200ppm si l'acier est obtenu par métallurgie des poudres, 20 ou traces 50 ppm si l'acier est obtenu par élaboration à l'air ou sous vide à partir de métal liquide - N = traces 100 ppm - S = traces 50 ppm - Cu=traces -1% - P = traces 200 ppm le reste étant du fer et des impuretés inévitables résultant de l'élaboration. 2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient C = 0, 20 0,25%. 3. Acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient Cr = 30 2 4%. 4. Acier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient Al = 1 1,6%, de préférence 1,4 1,6%. t revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il 10 contient Si = traces 0,25%, de préférence traces 0,10%. 10. Acier selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il contient Mn = traces 0,25%, de préférence traces 0,10%. 11. Acier selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il contient Ti = traces 100 ppm. 12. Acier selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il contient O = traces 10 ppm. 13. Acier selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il contient N = traces 5C) ppm, de préférence traces 10 ppm. 14. Acier selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il 20 contient S = traces 10 ppm, de préférence traces 5 ppm. 15. Acier selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il contient P = traces 100 ppm. 16. Acier selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que sa température de transformation martensitique Ms est supérieure ou égale à 140 C, avec Ms = 550 -- 350 x C% - 40 x Mn% - 17 x Cr% - 10 x Mo% - 17 x Ni% -8xW%-35xV%-1C)xCu%-10xCo%+30xAl% C. 17. Procédé de fabrication d'une pièce en acier, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes avant le parachèvement de la pièce lui procurant sa forme définitive: - la préparation d'un acier ayant la composition selon l'une des revendications 1 à 16; - le forgeage de cet acier; 5. Acier selon l'une des contient Mo 1%. 6. Acier selon l'une des contient Mo + W/2 = 1 2%. 7. Acier selon l'une des contient V = 0,2 0,3%. 8. Acier selon l'une des contient Nb = traces 0,05%. 9. Acier selon l'une des - un revenu d'adoucissement à 600-675 C pendant 4 à 20h suivi d'un refroidissement à l'air; - une mise en solution à 9001000 C pendant au moins 1h, suivie par un refroidissement à l'huile ou à l'air suffisamment rapide pour éviter la précipitation 5 de carbures granulaires dans la matrice d'austénite; - au moins un traitement cryogénique à -50 C ou plus bas, de préférence à -80 C ou plus bas, pour transformer toute l'austénite en martensite, la température étant inférieure de 200 C ou davantage à ms, au moins un desdits traitements durant au moins 2h; lo - optionnellement un traitement d'adoucissement de la martensite brute de trempe effectué à 150-250 C pendant 4-16h, suivi par un refroidissement à l'air calme; - un vieillissement de durcissement à 475-600 C, de préférence de 490-525 C pendant 5-20h. 18. Pièce mécanique ou pièce pour élément de structure, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée selon le procédé de la revendication 17. 19. Pièce mécanique selon la revendication 18, caractérisée en ce qu'il s'agit d'un arbre de turbine de réacteur.