Brevet FR2936178A1 — publié le 20100326

Assemblage de pièces en titane et en acier par soudage diffusion L'invention concerne un procédé d'assemblage par soudage diffusion de pièces de nature différente, l'une en titane et l'autre en acier, ainsi que les pièces métalliques obtenues par ce procédé et en particulier des arbres de turbine pour turbomachine. Dans le cadre des recherches visant à réduire le bruit, la consommation et les émissions de CO2 des moteurs d'avion, on est amené à augmenter de façon très importante le couple transmis par l'arbre de turbine basse pression d'une turbomachine, sans modifier le diamètre et le poids de cet arbre, ce qui a conduit la déposante à étudier la réalisation d'un arbre à partie centrale en matériau composite à matrice de titane comportant à ses extrémités des pièces en acier à haute résistance, qui sont usinées avec des formes relativement complexes pour être reliées à d'autres composants de la turbomachine. L'assemblage de la partie centrale en titane et des pièces d'extrémité en acier pose des problèmes qui n'ont pas été encore résolus de façon satisfaisante jusqu'à présent, d'autant que les jonctions titane-acier doivent présenter des caractéristiques mécaniques très élevées dans le cas des arbres de turbine. L'invention propose à cet effet un procédé d'assemblage de pièces en titane et de pièces en acier par soudage diffusion, caractérisé en ce qu'il consiste : - à placer deux intercalaires métalliques minces entre une pièce en titane et une pièce en acier, - à mettre sous vide l'ensemble des deux pièces et des deux intercalaires, - et à soumettre cet ensemble à une compression isostatique à chaud, à une température comprise entre 900°C et 950°C environ et à une pression comprise entre 1000 bars et 1500 bars environ, cette compression isostatique à chaud étant suivie d'un refroidissement contrôlé. La compression isostatique à chaud de l'ensemble formé par la pièce en titane, les intercalaires et la pièce en acier permet d'assembler la pièce en titane et la pièce en acier par soudage diffusion, les intercalaires évitant que du titane migre dans l'acier et que du fer migre dans le titane, ce qui créerait des phases intermétalliques fragilisant la jonction des deux pièces. La durée de la compression isostatique à chaud est comprise entre une heure et trois heures environ. Elle est d'environ deux heures dans un exemple particulier de mise en oeuvre de l'invention, décrit ci-dessous. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce procédé consiste ensuite à soumettre l'ensemble précité à un traitement thermique comprenant un premier palier à 800°C environ, suivi d'un refroidissement, et un second palier à 450°C environ, suivi d'un refroidissement. L'ensemble précité est maintenu à une pression comprise entre 1000 bars et 1500 bars environ pendant ce traitement thermique. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les deux intercalaires comprennent une feuille ou une couche mince de niobium et une feuille ou couche mince de cuivre (le niobium étant au contact de la pièce en titane et le cuivre au contact de la pièce en acier). En variante, on peut utiliser une feuille ou couche mince de vanadium à la place de la feuille ou couche mince de niobium. Ces intercalaires ont une épaisseur faible, comprise entre 20 et 50�m environ et peuvent être formées par emboutissage de feuilles ou par dépôt de métal sur les extrémités des pièces à assembler. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à usiner les extrémités des pièces à assembler pour leur donner des formes conjuguées non planes, l'extrémité de la pièce en acier comprenant au moins une partie en saillie engagée dans une partie en creux de la pièce en titane. Ces formes mettent à profit la différence de dilatation thermique entre le titane et l'acier pendant la compression isostatique à chaud, pour garantir le maintien du contact entre les deux pièces pendant le chauffage et le refroidissement. La forme des extrémités des pièces peut être, par exemple, conique ou biconique. L'invention propose également une pièce métallique comprenant une partie en titane et une partie en acier, caractérisée en ce que ces deux parties sont assemblées par exécution du procédé de soudage diffusion décrit ci-dessus, les extrémités de ces parties étant réunies par des intercalaires de niobium ou de vanadium (côté titane) et de cuivre (côté acier). Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie en titane de cette pièce métallique est une partie centrale dont chaque extrémité est assemblée à une partie en acier par le procédé précité de soudage diffusion. Cette pièce métallique peut être pleine ou tubulaire. La partie centrale de cette pièce peut être réalisée en un matériau composite à matrice de titane. La pièce métallique peut constituer un arbre de turbine destiné à une turbomachine. L'invention propose encore une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisée en ce qu'elle comprend un arbre de turbine du type défini ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe illustrant la jonction entre une pièce en titane et une pièce en acier selon l'invention, - la figure 2 est un organigramme des étapes essentielles du procédé selon l'invention, - la figure 3 est un diagramme des courbes de pression et de température pendant la compression isostatique à chaud et le traitement thermique dans le procédé selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'une autre forme de liaison entre une pièce en titane et une pièce en acier, - la figure 5 est une vue schématique en coupe de l'extrémité d'une pièce en acier, dans une variante de l'invention, - la figure 6 est une demi vue schématique en coupe axiale d'une partie d'extrémité d'un arbre de turbine selon l'invention. La figure 1 illustre l'assemblage d'une pièce 10 en titane et d'une pièce 12 en acier, la jonction entre ces deux pièces étant de forme conique et l'extrémité de la pièce 12 formant une pointe à sommet arrondi qui est engagée dans une cavité de forme conjuguée de l'extrémité de la pièce 10. L'interface entre les deux pièces est formé d'une feuille ou couche mince 14 de niobium ou de vanadium, appliquée sur l'extrémité de la pièce 10 en titane, et d'une feuille ou couche mince 16 de cuivre, appliquée sur l'extrémité de la pièce en acier 12. Ces feuilles intercalaires 14, 16 ont une épaisseur comprise par exemple entre 20 et 50�m environ et peuvent être formées par emboutissage de disques plans. En variante, les couches intercalaires peuvent être formées directement sur les extrémités des pièces en titane et en acier, par dépôt de métal par un procédé connu, par exemple du type PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) ou par dépôt électrolytique. Les étapes principales du procédé selon l'invention sont représentées schématiquement en figure 2. Les pièces à assembler sont d'abord soumises en 18 à un nettoyage et un dégraissage soigneux puis en 20 sont mises en place dans un étui ou conteneur en acier inoxydable d'un type connu permettant d'appliquer ensuite une compression isostatique à chaud aux pièces qu'il contient. Un vide secondaire est créé en 22 dans ce conteneur pendant douze heures environ, puis le conteneur est fermé de façon étanche par soudure. Il est ensuite placé en 24 dans une enceinte de compression isostatique à chaud où l'ensemble pièce en titane-intercalaires-pièce en acier est soumis à une température et une pression élevées pendant une durée comprise entre une et trois heures environ, la température étant comprise entre 900 et 950°C et la pression entre 1000 et 1500 bars. L'ensemble pièce en titane-intercalaires-pièce en acier est ensuite soumis à un traitement thermique 26 destiné à améliorer les qualités de l'acier, ce traitement thermique comprenant typiquement un palier à haute température, de l'ordre de 800°C par exemple, suivi d'un refroidissement contrôlé, et un autre palier à température élevée par exemple de l'ordre de 450°C, suivi d'un refroidissement contrôlé. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention où la pièce 10 est en alliage de titane Ti6242 et la pièce 12 est en acier maraging M250, la durée de la compression isostatique à chaud est de deux heures, la pression étant de 1400 bars et la température de 925°C. Le premier refroidissement est réalisé à une vitesse de 4 à 5°C par minute jusqu'à une température de 400°C environ, puis l'ensemble formé par les pièces assemblées 10, 12 et par les intercalaires est soumis à un traitement thermique comprenant un palier de deux heures à une température de 790°C et un palier de deux heures à une température de 455°C avec un refroidissement contrôlé après le premier palier avec une vitesse de refroidissement d'environ 4 à 5°C par minute jusqu'à la température ambiante. Le refroidissement après le palier à 455°C peut être réalisé à l'air. De préférence, l'ensemble des deux pièces assemblées reste soumis à la pression de 1400 bars pendant toute la durée de la compression isostatique à chaud et du traitement thermique de l'acier. Ces caractéristiques de compression isostatique à chaud et de traitement thermique de l'acier sont illustrées en figure 3, où la courbe P représente la variation de la pression appliquée aux pièces à assembler et la courbe T représente la variation de la température auxquelles ces pièces sont soumises, le temps en heures étant indiqué en abscisse, la température en degrés C et la pression en bars étant indiquées en ordonnée. On a représenté schématiquement en figure 4 une variante de réalisation de la forme de la jonction entre la pièce 10 en titane et la pièce 12 en acier. Dans cette variante, l'extrémité de la pièce 12 en acier comporte une pointe tronconique avec des cannelures 28 qui s'étendent du sommet du cône vers la base de celui-ci le long des génératrices du cône. Les deux pièces 10 et 12 sont en outre formées avec un alésage central 30. Une autre forme de réalisation de la jonction entre les deux pièces est représentée schématiquement en figure 5, pour la pièce 12 en acier. L'extrémité de cette pièce destinée à être assemblée avec l'extrémité de la pièce en titane, est de forme biconique et comprend une surface tronconique 32 s'étendant de la périphérie cylindrique de la pièce 12 vers l'axe de cette pièce et se trouvant en saillie sur la pièce 12, cette surface tronconique étant raccordée par un arrondi convexe 34 à une surface conique 36 qui s'étend en sens inverse de la première et qui est formée en creux sur l'extrémité de la pièce 12, cette surface 36 s'étendant de l'arrondi 34 jusqu'à l'axe central de la pièce 12. L'angle au sommet de la surface tronconique 32 est par exemple de 120°, tandis que celui de la surface conique 36 est d'environ 160°. La forme de l'extrémité de la pièce 10 en titane est la conjuguée de celle représentée en figure 5. On a représenté schématiquement en figure 6 une partie d'un arbre de turbine basse pression selon l'invention, qui comprend une partie centrale 40 en un matériau composite à matrice de titane, cette partie centrale étant tubulaire d'axe 42 et étant de plus grande épaisseur à son extrémité 44 de liaison à l'extrémité correspondante 46 d'un embout tubulaire 48 en acier à haute résistance qui forme une pièce de liaison à un autre composant d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. La réalisation de cet embout 48 en acier permet de lui donner par usinage toute forme appropriée, qui peut être relativement complexe. L'autre extrémité de la partie centrale 40 de l'arbre, non représentée, est également reliée à un embout du même type que celui de la figure 6. La liaison des extrémités 44 de la partie centrale 40 avec les embouts 48 se fait par exécution du procédé de soudage diffusion décrit ci- dessus, avec des intercalaires de niobium (ou de vanadium) et de cuivre entre les parties en titane et en acier. La jonction 50 entre chaque extrémité de la partie centrale 40 avec un embout 48 a une forme conique à sommet arrondi en arc de cercle orienté vers la partie centrale 40. Dans un exemple de réalisation, l'arc de cercle au sommet de la jonction a un rayon supérieur à 20 mm et l'angle au sommet est d'environ 60°. Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, la partie centrale 40 de l'arbre de turbine basse pression a un diamètre extérieur de 81 mm et est en matériau composite à matrice de Ti6242 et à fibres longues de SIC et les embouts 48 sont en un acier maraging M250. Les jonctions des extrémités de la partie centrale 40 avec les embouts 48 doivent être capables de transmettre un couple correspondant à une perte d'aube, c'est-à-dire de 70000 Nm environ. Par ailleurs, ces jonctions doivent pouvoir supporter, sans apparition de criques, 25000 décollages au cours desquels le couple transmis est de l'ordre de 41500 Nm (le décollage étant la phase de vol où le couple transmis est maximal dans des conditions d'utilisation normales).30 Revendications1. Procédé d'assemblage de pièces en titane et de pièces en acier par soudage diffusion, caractérisé en ce qu'il consiste : - à placer deux intercalaires métalliques minces (14, 16) entre une pièce (10) en titane et une pièce (12) en acier, - à mettre sous vide l'ensemble des deux pièces et des deux intercalaires, - et à soumettre cet ensemble à une compression isostatique à chaud, à une température comprise entre 900°C et 950°C et à une pression comprise entre 1000 et 1500 bars, cette compression isostatique à chaud étant suivie d'un refroidissement contrôlé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de la compression isostatique à chaud est comprise entre une heure et trois heures environ. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste ensuite à soumettre l'ensemble à un traitement thermique comprenant un premier palier à 800°C environ, suivi d'un refroidissement, un second palier à 450°C environ et un refroidissement. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à maintenir l'ensemble à une pression comprise entre 1000 et 1500 bars environ pendant le traitement thermique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les deux intercalaires comprennent une feuille ou couche mince de niobium ou de vanadium (côté titane) et une feuille ou couche mince de cuivre (côté acier). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les intercalaires ont une épaisseur d'environ 20 à 50�m.30 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner les extrémités des pièces à assembler pour leur donner des formes conjuguées non planes, l'extrémité de la pièce (12) en acier comprenant au moins une partie en saillie engagée dans une partie en creux de la pièce (10) en titane. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste à donner une forme conique ou biconique (32, 36) aux extrémités des pièces (10, 12). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les intercalaires sont formées par dépôt de métal sur les extrémités des pièces (10,12) assemblées. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à emboutir les intercalaires (14, 16) pour leur donner une forme correspondant à celle des extrémités des pièces (10, 12). 11. Pièce métallique comprenant une partie (10, 40) en titane et une partie (12, 48) en acier, caractérisée en ce que ces deux parties sont assemblées par exécution du procédé de soudage diffusion selon l'une des revendications précédentes, les extrémités de ces parties étant réunies par des intercalaires minces de niobium ou de vanadium (côté titane) et de cuivre (côté acier). 12. Pièce métallique selon la revendication 11, caractérisée en ce que la partie en titane est une partie centrale (40) dont chaque extrémité (44) est assemblée à une partie en acier (48) par le procédé précité de soudage diffusion. 13. Pièce métallique selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle est tubulaire. 14. Pièce métallique selon la revendication 13, caractérisée en ce que la partie centrale (40) est en matériau composite à matrice de titane. 15. Pièce métallique selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle constitue un arbre de turbine destiné à être utilisé dans une turbomachine. 16. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisé en ce qu'elle comprend un arbre de turbine selon la revendication 15.