Brevet FR2937654A1 — publié le 20100430

La présente invention concerne le domaine des matériaux métalliques et vise une méthode d'amélioration de la tenue en fatigue de matériaux contenant des inclusions. Les alliages à base nickel à grains fins et les aciers à haute résistance amorcent en fatigue sur des inclusions, constituées par des combinaisons de type nitrures, carbures, oxydes ou autres ayant dans le métal une solubilité très faible sinon nulle à l'état solide, et sur la microstructure des grains. Les amorçages de fissures sur les défauts de propreté inclusionnaire sont plus pénalisants que ceux sur la microstructure. Les inclusions dans ces alliages ont des tailles de l'ordre de 4 à 300 �m, lorsque la matière est élaborée selon les procédés de haute qualité. Il peut arriver que ces procédés génèrent à la marge des inclusions plus grosses mais dans la présente demande on considère les alliages dont la taille des inclusions est inférieure à 300 �m et que leur nombre sature la matière c'est-à-dire que leur nombre par unité de volume est tel que sous sollicitation de fatigue au moins une inclusion est sollicitée. Cela implique que sur un cylindre de 10 mm de diamètre et de 2 mm de hauteur, il existe au moins un défaut de taille comprise entre 4 et 300 �m connecté à la surface développée ; le volume global du cylindre contient au moins 30 défauts de ce type. Les pièces tournantes à haute intégrité sont dimensionnées en fatigue oligo cyclique en conformité avec les exigences de la règle CSE515, tenant compte de la propreté inclusionnaire, si elle est pertinente pour l'approche de durée de vie en fatigue. Selon cette règle, la pièce est dimensionnée pour que le nombre de cycles à la rupture en fatigue oligocyclique se situe en dehors du domaine de probabilité de rupture, délimité par la valeur correspondant à la moyenne des contraintes à la rupture moins trois écarts types, les contraintes étant mesurées sur un échantillon déterminé d'éprouvettes rectifiées et polies, pour un risque prédéfini, par exemple 95/99. Le dimensionnement en prenant en compte la propreté inclusionnaire, tient compte des amorçages de fissures de fatigue à partir des inclusions. En fait dans les tests de fatigue oligocyclique, les fractographies réalisées sur les éprouvettes après rupture montrent que la population des nombres de cycles à la rupture pour une contrainte donnée se répartit en deux populations distinctes l'une à bas nombre de cycles à la rupture et l'autre à nombre plus élevé. La population de ces points bas correspond aux amorces en fatigue ayant pour origine la propreté inclusionnaire et celle des points hauts est liée à la microstructure des grains. La présente invention a pour objectif d'améliorer la tenue en fatigue des pièces réalisées dans un matériau métallique comportant des défauts inclusionnaires en nombre suffisant pour saturer ledit matériau. La présente invention a également pour objectif d'accroître la durée de vie desdites pièces sans modifier leur géométrie. On parvient à ces objectifs avec un procédé de traitement caractérisé par le fait qu'il comprend la détermination sur les pièces des zones à forts gradients de contraintes puis la mise en compression d'au moins une partie desdites zones pour confiner les inclusions dans lesdites zones dans un champ de contraintes de compression. Les zones à forts gradients de contraintes sont déterminées par deux frontières : la surface des pièces et la profondeur à partir de laquelle la durée de vie obtenue en prenant en compte les amorçages sur inclusions est acceptable pour les pièces dans leurs conditions d'utilisation pour laquelle elles sont prévues. Il apparaît que la prise en compte de ces inclusions conduit à un accroissement des écarts types de la distribution des résultats de tests de fatigue oligocyclique pour déterminer la durée de vie de pièces et à des critères d'acceptation en fatigue plus favorables d'environ 1 à 1,5 écarts types par rapport à ce que donne la seule microstructure des grains. En rendant les critères d'acceptation moins sévères, on peut dimensionner les pièces de façon plus favorable. En effet, si on limite les amorçages de fatigue à ceux apparaissant sur la microstructure, la durée de vie est donnée par la statistique sur ces seules données ; on augmente ainsi les valeurs moyennes et on réduit les écarts types de la distribution des durées de vie à l'amorçage, et par ces deux aspects, on augmente la valeur de contrainte admissible pour une durée de vie donnée ou la durée de vie minimale pour une contrainte donnée. De préférence la mise en compression est réalisée par un procédé déterministe. Un procédé est dit déterministe s'il existe une corrélation bien définie entre les paramètres du procédé et le résultat obtenu. Ainsi, une mise en compression à froid est de type déterministe car cette technique fait intervenir uniquement des données mesurables directement telles que la limite d'élasticité du matériau et sa déformation locale permanente. Il en est de même pour la technique de mise en compression par choc plasma car il a été démontré que celle-ci était directement liée à des paramètres énergétiques mesurables et à la plasticité du matériau. Ces techniques se distinguent des procédés de type statistique dont le grenaillage fait partie et pour lesquels une telle corrélation est difficile à établir. Il existe des modèles pour traiter ce type de problème, mais il est admis que les résultats obtenus par le grenaillage conventionnel sont très dispersés pour des sets de paramètres identifiés ; cela est en particulier lié à la variabilité des tailles de projectiles et à l'évolution géométrique par abrasion des buses de projection. Ainsi, la mise en compression peut-elle être réalisée par déformation à froid ou bien par choc laser. Le choix dépend de la facilité de mise en oeuvre du procédé à appliquer compte tenu de la nature de la pièce et de la partie de celle-ci à traiter. Chacun des procédés de mise en compression proposés dans le cadre de l'invention est en soi connu. Ils sont utilisés pour améliorer la durée de vie des pièces et sont reconnus pour leurs effets sur les contraintes de surface mais le plus appliqué d'entre eux, à savoir le grenaillage, n'est pas déterministe, et il n'est pas pris en compte dans le dimensionnement. Les procédés déterministes que sont le choc laser, les déformations à froid ne sont quant à eux pris en compte qu'au travers des aspects liés aux contraintes. Le procédé de l'invention présente l'avantage de pouvoir être limité à une zone d'étendue très réduite au regard du volume de la pièce. En particulier le traitement peut être effectué dans un volume de quelques millimètres cubes sur lesdites zones. Conformément à une caractéristique particulière le traitement est effectué dans un volume, sous la surface, compris entre 0,25 mm3 et 3 mm3. Par exemple pour un arbre de turbine le volume traité peut être limité à 1 ou 2 mm3. On connaît les brevets US 5 492 447, US 5 846 054 et US 5 522 706 qui portent sur le traitement par impacts ou chocs laser de composants de rotor de turbomachine dont au moins une partie est soumise à des champs de contraintes résultant des forces centrifuges et des dilatations thermiques induites par la rotation de la pièce. Ces parties comprennent des zones à fortes concentrations de contraintes qui sont traitées par chocs laser pour créer des contraintes résiduelles de compression et empêcher les amorces de fissure de fatigue dans ces zones. On note que l'art antérieur enseigne d'effectuer le traitement par chocs laser en tenant compte de la géométrie de la pièce et des zones sur lesquelles se concentrent les contraintes sans prendre en considération les inclusions. L'invention est partie de la considération, par ailleurs connue et publiée, qu'une inclusion de taille donnée 1 connectée ou très proche de la surface amorce une fissure de fatigue environ 10 fois plus rapidement que la même inclusion située en coeur de pièce. Il existe ainsi une corrélation entre le volume à traiter pour éliminer les inclusions de surface et la profondeur à laquelle sont situées ces inclusions. Les analyses de contraintes liées au fonctionnement mécanique des pièces montrent que les volumes critiques en durée de vie sont du même ordre de grandeur que les volumes des inclusions de grande taille et que la plupart du temps, ces petits volumes sollicités sont en surface des pièces dans des zones à facteurs de concentration de contrainte. On peut donc traiter ces petits volumes de façon cohérente avec la taille des plus grosses inclusions probables qu'ils sont susceptibles de contenir, sur des profondeurs raisonnablement supérieures ou égale à 5001,tm. Le procédé de l'invention s'applique sur des pièces en matériau à base d'alliages de nickel tels que l'alliage vendu sous la marque Inconel 718 � obtenu par des procédés de forgeage ou de traitement thermique donnant des structures à grains fins. Cet alliage utilisé pour la fabrication de disques de turbine par exemple est sensible aux inclusions de carbures primaires de solidification pour des tailles de grains plus fines que 6 ASTM. Ainsi le procédé vise des matériaux à grain ASTM inférieur à 7. Avantageusement le matériau est l'alliage de nickel Inconel 718 � comportant au moins une passe de forge à une température inférieure à 1010°C suivie d'un revenu direct ou d'un traitement thermique de trempe suivi d'un revenu. Le procédé s'applique aussi au traitement de pièces réalisées dans l'un des matériaux suivants connus sous leur dénomination commerciale, acier Maraging 250, acier ML340 et décrit dans la demande de brevet WO2006114499, acier GE1014 ou tout autre acier à haute résistance. Conformément à une autre caractéristique importante de l'invention on établit une méthode de détermination de la durée de vie d'une pièce traitée selon le procédé de l'invention selon laquelle on exclut les amorçages sur inclusions. L'invention concerne également un arbre de turbomachine en acier à haute caractéristique, comportant des cannelures longitudinales, traité selon le procédé de l'invention et dont lesdites zones sont constituées d'une partie desdits fonds de cannelure, plus particulièrement en sortie de portées de cannelures. L'invention concerne également un arbre de turbomachine en acier à haute caractéristique, comportant au moins un canal de déshuilage, traité selon l'invention et dont lesdites zones comprennent au moins une partie de la surface de l'arbre en sortie dudit canal. L'invention concerne également un disque de turbomachine en alliage à base nickel, présentant au moins une bride radiale avec au moins un feston ou un trou axial, traité selon le procédé de l'invention et dont lesdites zones comprennent au moins une partie de surface formant ledit feston ou ledit trou axial. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins sur lesquels - La figure 1 est un graphique établi à partir de tests de fatigue oligocyclique avec en abscisse les nombres de cycles à rupture et en ordonnée la contrainte en fatigue, - La figure 2 montre la partie aval d'un arbre de turbine basse pression de moteur à turbine à gaz, vu en coupe axiale, - La figure 3 montre la bride de liaison d'un disque de turbine, - La figure 4 montre une partie avec cannelures d'un arbre de turbine de moteur à turbine à gaz, vu en coupe axiale. Pour déterminer la durée de vie attendue de pièces dans un domaine de fonctionnement, on prépare généralement des éprouvettes rectifiées et polies dans le matériau concerné que l'on soumet à des fatigues oligocycliques. On reporte dans un repère pour plusieurs niveaux de contraintes le nombre de cycles à rupture. A partir des nuages de points, on peut tracer la courbe des moyennes ainsi que celle à trois écarts types. On couvre l'ensemble du domaine de fonctionnement d'une pièce en faisant varier un paramètre tel que la température. On calcule la durée de vie d'une pièce en connaissant les contraintes. On a constaté que pour certains matériaux ayant une structure de grains fins par exemple inférieurs à 7 ASTM pour les alliages à base Nickel ou à 3 ASTM pour les aciers à durcissement structural la répartition de la population des nombres de cycles à rupture était bi modèle comme représenté sur la figure 1. L'analyse fractographique des échantillons montre en A que l'on amorce sur des inclusions et en B sur la microstructure des grains. On met à profit cette observation conformément à l'invention en traitant les pièces de manière à éliminer les causes de rupture en fatigue par amorçage sur les défauts inclusionnaires. 10 Exemple des arbres de turbine basse pression de moteur à turbine à gaz à double corps avec trou de déshuilage. On applique le procédé de l'invention à un arbre de turbine basse pression d'un moteur à turbine à gaz aéronautique dont on a représenté une 15 vue partielle en coupe axiale du côté du tourillon arrière. L'arbre 10 représenté sur la figure 2 comprend une partie cylindrique 11 qui se prolonge vers l'amont jusqu'au compresseur du rotor basse pression, non représenté. L'extrémité aval 12 comprend la piste 14 supportant la bague intérieure du palier, non représenté, supportant l'arbre. Un tourillon 16 20 s'étend radialement depuis la portion cylindrique 11 pour soutenir les disques de la turbine basse pression, non visibles. Des canaux de déshuilage 18 sont creusés dans la masse à la racine du tourillon 16. Ils ont pour fonction de faire circuler l'huile de lubrification entre l'intérieur de l'arbre et le retour. 25 La durée de vie des arbres de turbine est donnée par la sollicitation sous forts gradients de contraintes d'un petit volume C 1 de matière en sortie de trous de déshuilage 18. Le volume de matière sollicité est ici celui dont les niveaux de contraintes cyclées conduisent, au travers de calculs et des 30 données minimales de fatigue, à la durée de vie affichée des arbres. Les contraintes dans le reste de la pièce, associées à des données de fatigue prenant en compte les inclusions sont suffisamment faibles pour donner des durées de vie très élevées. Pour un arbre de turbine, le volume de matière local est de 1 à 2 mm3 et ce volume peut contenir, si on considère tous les 35 trous de déshuilage de l'ensemble d'une population de pièces (par exemple 10000 arbres), des inclusions allant jusqu'à 300 �m. Conformément à l'invention on met en compression la matière dans ce faible volume par un procédé déterministe, tel que présenté plus haut. La 40 mise en compression peut être effectué par impact local d'un faisceau laser, une expansion à froid, un procédé FTI, mettant en compression les inclusions et la matière environnante sur l'intégralité du volume Cl et5 légèrement au-delà. Dans la pratique cela comprend le volume Cl jusqu'à une profondeur de 500 �m ou jusqu'à une profondeur à laquelle la contrainte mécanique devient inférieure à celle créant un problème de durée de vie. La technique d'expansion à froid, développée par la société FTI qui est l'acronyme de Fatigue Technology Inc notamment, consiste à introduire dans un orifice, ici le canal de déshuilage après son perçage, un mandrin de diamètre légèrement supérieur à ce dernier. Le métal de la paroi du canal est mis en compression radialement. Une zone cylindrique sur une certaine épaisseur autour de la paroi du canal est ainsi soumise à des contraintes de compression résiduelles. De préférence on fait passer la pige de mise en compression par l'alésage de l'arbre et on l'introduit par l'orifice inférieur du trou de déshuilage et on la fait traverser le trou. Si, pour cette zone, on exclut de la distribution des résultats de fatigue les amorçages sur inclusions, on obtient, à iso contrainte (par exemple 800 MPa de pseudo contrainte alternée pour un alliage Maraging 250) un gain sur les données de dimensionnement d'un écart type soit un doublement de la durée de vie en fatigue oligocyclique. On passe de 25000 à 50 000 cycles. Exemple de festons et de trous de brides de disques de turbine basse pression en Inconel GF. Pour un disque de turbine basse pression d'un moteur à turbine à gaz à double corps, les zones de contraintes déterminant les durées de vie sont principalement situées dans les fonds de festons et les bords de trous de brides. Une telle bride 20, représentée de face seule sans le disque sur la figure 3, sert à la liaison des disques entre eux. Elle comprend une pluralité de perçages axiaux 22 pour le passage des boulons de fixation. Des festons 24 sont usinés entre les perçages. L'analyse permet de fixer les zones C2 et C3 de concentration de contraintes en fatigue. Les volumes concernés sont de l'ordre de quelques mm3 pour des défauts inclusionnaires de types carbures ou carbonitrures et de taille inférieure à 150 �m. Dans ces deux cas, la mise en compression à froid est facilement réalisable, par exemple par déformation avant perçage ou usinage des festons, par un procédé déterministe. Le procédé est un procédé d'expansion, du type développé par la société FTI, ou de compression par poinçonnage de type Stresswave ou encore par la technique d'impacts laser. Ces procédés sont capables de traiter ces volumes en plastifiant la zone de contraintes maximales et en noyant des inclusions de 100 à 150 �m aussi bien dans des aciers que des alliages à base nickel. On traite l'environnement du volume matière contenant la zone à gradients de contrainte ou on plastifie les premiers mm de matière autour des trous, à posteriori. La technique connue par son nom commercial Stresswave, est illustrée par le brevet US 6389865. Elle consiste à traiter le métal avant le perçage de l'ouverture que l'on veut renforcer. On crée des ondes de contraintes dans le métal au moyen d'un élément cylindrique, formant un marteau, que l'on projette perpendiculairement à la surface de la pièce dans la zone à traiter. Le brevet développe les différentes mises en oeuvre possibles de la méthode. Une fois la pièce marquée par le marteau on usine l'orifice. Exemple des arbres de turbine basse pression avec cannelures. 15 On a représenté sur la figure 4 une partie d'un arbre de turbine 30 d'un moteur à turbine à gaz. L'arbre comprend des cannelures internes 32. Il est connu que ces cannelures sont le siège de fortes concentrations de contraintes. Conformément à l'invention on traite la zone comprenant les 20 rayons de sortie des cannelures. Revendications1. Procédé de traitement de pièces métalliques pour en améliorer la tenue en fatigue, les pièces étant réalisées en un matériau métallique comportant des défauts inclusionnaires en nombre suffisant pour saturer ledit matériau, caractérisé par le fait qu'il comprend la détermination sur la pièce des zones à forts gradients de contraintes puis la mise en compression d'au moins une partie desdites zones pour confiner les inclusions dans lesdites zones dans un champ de contraintes de compression. 2. Procédé selon la revendication 1 dont la mise en compression est réalisée par déformation à froid. 3. Procédé selon la revendication 1 dont la mise en compression est réalisée par impact laser. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dont le traitement 20 est effectué dans un volume sous la surface compris entre 0,25mm3 et 3 mm3. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dont le matériau est à base d'alliages de nickel tels que de dénomination commerciale 25 Inconel 718 obtenu par des procédés de forgeage ou de traitement thermique donnant des structures à grains fins. 6. Procédé selon la revendication précédente dont le matériau est à grain ASTM inférieur à 7. 30 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dont le matériau est l'alliage de nickel de dénomination commerciale Inconel 718 comportant au moins une passe de forge à une température inférieure à 1010°C suivie d'une revenu direct ou d'un traitement thermique de trempe 35 suivi d'un revenu. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dont le matériau est un acier de dénomination commerciale Maraging 250, ML340, GE1014 ou tout autre acier à haute résistance. 40 9. Méthode de détermination de la durée de vie d'une pièce traitée selon l'une des revendications précédentes selon laquelle on exclut les amorçages sur inclusions. 1O.Arbre de turbomachine en acier à haute caractéristique comportant des cannelures longitudinales, traité selon le procédé de l'une des revendications 1 à 9 dont lesdites zones sont constituées d'une partie au moins desdits fonds de cannelure. 11.Arbre de turbomachine en acier à haute caractéristique comportant au moins un canal de déshuilage traité selon au moins l'une des revendications 1 à 9 dont lesdites zones comprennent au moins une partie de la surface de l'arbre en sortie dudit canal. 12.Disque de turbomachine en alliage à base nickel présentant au moins une bride radiale avec au moins un feston ou un trou axial traité selon au moins l'une des revendications 1 à 9 dont lesdites zones comprennent au moins une partie de surface formant ledit feston ou ledit trou axial.20