Brevet FR3009800A1 — publié le 20150227

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce constituée de plusieurs alliages métalliques de compositions différentes. Certaines pièces en alliage métallique doivent présenter, à cause de leur utilisation dans des conditions de température et de contraintes 5 élevées, certaines propriétés mécaniques optimales dans une première zone de la pièce, et d'autres propriétés mécaniques optimales dans une deuxième zone de la pièce. Par exemple, dans les disques de réacteur de turbines aéronautiques (moteur d'avion) la zone centrale du disque, c'est-à-dire la zone à 10 proximité de l'alésage) doit idéalement présenter des performances supérieures en fatigue et en traction, tandis que la zone radialement externe du disque doit présenter des performances supérieures en fluage et en résistance à la propagation de fissures. Les alliages existants ne permettent pas de répondre de façon 15 optimale aux spécifications ci-dessus. Des solutions alternatives ont ainsi été développées : Par exemple, le disque est réalisé à partir d'un même alliage, mais la zone centrale subit un forgeage différent de la zone externe. Alternativement, le disque est réalisé à partir d'un même alliage, mais la 20 zone centrale est soumise à un traitement thermique différent du traitement thermique auquel est soumise la zone externe. D'une manière générale, pour une pièce dont une première zone subit un forgeage ou un traitement thermique qui est différent du forgeage ou du traitement thermique qui est subi par une deuxième zone 25 de la pièce, l'inconvénient est que les gammes de fabrication sont complexes à élaborer et à réaliser, et sont donc couteuses. De plus, la pièce restant réalisée à partir du même alliage, la latitude de différentiation des propriétés entre les différentes zones de la pièce est limitée. 30 La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un procédé qui permette d'obtenir, de la façon la plus simple possible, une pièce avec des propriétés mécaniques différentes dans plusieurs zones de la pièce, et dont les performances mécaniques soient optimisées pour l'utilisation prévue de la pièce. 35 Ce but est atteint grâce au fait que le procédé comprend les étapes suivantes : (a) On fournit plusieurs parties, chaque partie étant réalisée en un desdits alliages de telle sorte que chacune desdites parties est en un alliage distinct, (b) On place lesdites parties de telle sorte que chacune desdites parties 5 est en contact avec au moins une autre desdites parties. (c) On effectue un soudage desdites parties entre elles au niveau de leurs zones de contact avant l'opération de forgeage final de ladite pièce constituée desdites parties soudées entre elles. Grâce à ces dispositions, la pièce obtenue est constituée de parties 10 avec des propriétés mécaniques distinctes et qui sont optimisées pour chacune des parties de cette pièce en fonction des sollicitations auxquelles chacune de ces parties est soumise en service. De plus, le forgeage final de la pièce ayant lieu après la solidarisation des parties la constituant, les contraintes après forgeage dans la pièce aux interfaces entre deux parties 15 quelconques sont minimisées. Avantageusement, après l'étape (c), on effectue les étapes suivantes : (d) On effectue le forgeage final de ladite pièce, (e) On effectue, après l'étape (d), un traitement thermique de ladite 20 pièce qui comprend une mise en solution à une température de mise en solution TM suivie d'une trempe à température ambiante TA puis d'un revenu à une température de revenu TR inférieure à TM. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation 25 représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique du procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'une variante de réalisation du procédé selon l'invention, 30 la figure 3 est une vue schématique du procédé selon l'invention dans le cas de la réalisation d'un disque avec un premier alliage et un deuxième alliage, les alliages étant initialement sous forme de poudre, la figure 4 est une vue schématique du procédé selon l'invention 35 dans le cas de la réalisation d'un disque avec un premier alliage et un deuxième alliage, les alliages étant initialement sous forme solide, - la figure 5 est une vue schématique du procédé selon l'invention dans un cas de réalisation d'un anneau avec un premier alliage et un deuxième alliage, les alliages étant initialement sous forme solide, - la figure 6 est une vue schématique du procédé selon l'invention dans un autre cas de réalisation d'un anneau avec un premier alliage et un deuxième alliage, les alliages étant initialement sous forme solide. La figure 1 illustre les étapes du procédé selon l'invention. Le procédé est illustré dans le cas où la pièce est constituée de deux alliages distincts (alliages de composition différente, c'est-à-dire ne comprenant pas exactement les mêmes éléments chimiques, ou comprenant les mêmes éléments chimiques mais dans des proportions différentes d'un alliage à l'autre). Dans le cas général, le procédé s'applique également au cas d'une pièce constituée de plus de deux alliages. Chaque alliage est alors en contact avec au moins un autre des alliages. Dans le cas d'une pièce constituée de plus de deux alliages, la pièce 1 est constituée de plusieurs parties, chaque partie est constituée d'un seul des alliages, et pour chaque couple possible de deux parties, l'alliage constituant une des parties de ce couple est distinct de l'alliage constituant l'autre des parties de ce couple. On fournit un premier alliage et un deuxième alliage (étape (a)). On place une première partie 10 constituée du premier alliage et une deuxième partie 20 constituée du deuxième alliage (ces deux parties constituant la pièce 1) en contact de telle sorte qu'il existe une zone de contact 30 entre ces deux parties (étape (b)). Une ou plusieurs de ces parties peut par exemple avoir été élaborée par usinage. A ce stade, une ou plusieurs des deux parties peut avoir subi une opération de forgeage (qui inclut le laminage, l'extrusion, le filage) destinée à lui donner une forme intermédiaire avant sa forme finale (qui 35 sera sa forme au sein de la pièce constituée de ces parties). Avantageusement, avant l'étape (c), aucune des deux parties n'a encore subi d'opération de forgeage. Ainsi, toutes les opérations de forgeage de la pièce ayant lieu après la solidarisation (par soudage) des parties la constituant, les contraintes 5 après forgeages dans la pièce aux interfaces entre deux parties quelconques sont davantage minimisées. Le cas échéant, toutes les opérations de forgeage que la pièce subit après l'étape (c) peuvent n'être que la seule opération de forgeage final. On effectue ensuite un soudage de la première partie 10 avec la 10 deuxième partie 20 par jonction du premier alliage avec le deuxième alliage au niveau de la zone de contact 30 de telle sorte que ces deux alliages sont soudés sur l'étendue de cette zone de contact 30 (étape (c)) de façon à former une pièce 1. Par exemple ce soudage est un soudage par diffusion. 15 Le soudage par diffusion entre ces deux parties s'effectue par exemple en plaçant la première partie 10 et la deuxième partie 20 dans une enceinte 40 et en effectuant une compression isostatique à chaud de ces deux parties, comme illustré en figure 1. Alternativement, le soudage est un soudage par friction. Dans ce cas 20 la première partie et la deuxième partie sont mises en mouvement relatif l'une par rapport à l'autre et sont rapprochées jusqu'à être en contact au niveau d'une zone de contact 30. La chaleur résultant du frottement des deux parties au niveau de cette zone de contact 30 entraine une fusion du premier alliage et du deuxième alliage sur cette zone de contact 30, ce qui 25 solidarise la première partie et la deuxième partie après refroidissement. Alternativement, le soudage est un soudage par étincelage. Dans ce cas une différence de potentiel électrique est créée entre la première partie et la deuxième partie puis celles-ci sont rapprochées jusqu'à être en contact au niveau d'une zone de contact 30. La chaleur résultant des 30 étincelles électriques qui se créent entre les deux parties au niveau de cette zone de contact 30 entraine une fusion du premier alliage et du deuxième alliage sur cette zone de contact 30, ce qui solidarise la première partie et la deuxième partie après refroidissement. Le procédé selon l'invention autorise une grande variété de 35 propriétés au sein de la pièce 1 entre la première partie 10 et la deuxième partie 20 (ou plus généralement, dans le cas où la pièce 1 est constituée de plus de deux parties, d'une partie à l'autre). Le procédé selon l'invention autorise également un positionnement varié et aisé de la frontière (interface) entre la première partie 10 et la deuxième partie 20 (ou plus généralement, dans le cas où la pièce 1 est constituée de plus de deux parties, des frontières entre deux parties quelconques). En variante du procédé tel que décrit ci-dessus, on effectue, après l'étape (c), le forgeage final de la pièce 1 constituée de la première partie 10 et de la deuxième partie 20 (étape (d)), puis un traitement thermique de cette pièce 1 (étape (e)). Par exemple ce forgeage est isotherme. Ces étapes sont illustrées en figure 2. Ce forgeage final est le forgeage qui met la pièce 1 sous la forme la plus proche de sa forme finale. Après ce forgeage final, la pièce 1 ne subit 15 plus de forgeage, mais peut subir un usinage pour lui donner sa forme finale. Entre les étapes (c) et (d), la pièce 1 peut éventuellement subir un ou plusieurs forgeages intermédiaires. Ce traitement thermique comprend une mise en solution à une 20 température de mise en solution TM suivie d'une trempe jusqu'à température ambiante TA, cette trempe étant suivie d'un revenu à une température de revenu TR. Ce forgeage final permet de mettre en forme la pièce 1 et ce traitement thermique permet d'optimiser la structure des alliages de la 25 pièce 1 afin d'optimiser ses propriétés mécaniques. Avantageusement, le premier alliage et le deuxième alliage sont chacun aptes à être durcis par précipitation d'une phase durcissante et en ce que la température de mise en solution TM est supérieure à la température de solvus 02 de la phase durcissante du deuxième alliage et 30 est inférieure à la température de solvus 01 de la phase durcissante du premier alliage. Ainsi, on a 02 91. Une telle structure augmente les performances en traction et en fatigue (par rapport à une structure à grains plus gros). 20 Dans le cas particulier où le premier alliage et le deuxième alliage sont constitués des mêmes éléments, mais dans des proportions différentes, alors la phase durcissante du premier alliage 10 est identique à la phase durcissante du deuxième alliage, et on a 92 Avantageusement, à l'étape (a), chacune desdites parties est initialement sous forme de poudre. La perte de matière durant la fabrication de la pièce est ainsi minimisée. Dans ce cas, les parties ne subissent pas de forgeage avant leur soudage (ou leurs soudages) entre elles (étape (c)), et la seule opération de forgeage que subit la pièce (constituée des différentes parties soudées entre elles) est le forgeage final. Par exemple, à l'étape (c), le soudage est un soudage par diffusion. A titre d'exemple, le procédé est décrit ci-dessous dans le cas d'une pièce cylindrique, par exemple un disque, en référence à la figure 3. A l'étape (a), on remplit un récipient annulaire 25 avec de la poudre du deuxième alliage. Puis on effectue une densification de cette poudre afin de souder les grains de poudre entre eux et d'obtenir un bloc monolithique qui constitue ainsi la deuxième partie 20. La deuxième partie forme ainsi un cylindre annulaire dont l'axe longitudinal est un axe A. Puis on place la deuxième partie 20 dans un récipient cylindrique 15 et on remplit l'espace cylindrique situé au centre de la deuxième partie 20 par de la poudre du premier alliage. Ainsi, la poudre du premier alliage est 20 entourée radialement (par rapport à l'axe longitudinal A) par la deuxième partie 20, et forme un cylindre s'étendant selon l'axe longitudinal A et qui constitue la première partie 10. La surface radialement interne de la deuxième partie 20 et la surface radialement externe de la première partie 10 sont ainsi en contact et leur interface constitue la zone de contact 30 (étape (b)). Puis on effectue une compression isostatique à chaud de la deuxième partie 20 et de la poudre du premier alliage de telle sorte que les grains de poudre du premier alliage se soudent entre eux pour former la première partie 10, et de telle sorte qu'il s'effectue un soudage diffusion entre les grains de poudre du premier alliage et les grains de poudre du deuxième alliage (qui avaient été compactés entre eux (étape (b)) et formaient donc déjà un bloc monolithique) au niveau de la zone de contact 30 afin d'obtenir un bloc monolithique qui constitue la pièce 1 (étape (c)). Optionnellement, on effectue ensuite un filage de la pièce 1 (par passage dans une filière) afin de produire une barre au diamètre désiré, puis un écroutage et une découpe de cette barre perpendiculairement à l'axe longitudinal A de façon à former des lopins, chaque lôpin étant ensuite apte à être forgé. Alternativement, à l'étape (a), chacune desdites parties est sous forme solide. Par exemple, à l'étape (c), le soudage est choisi dans le groupe constitué du soudage par diffusion, du soudage par friction, du soudage par étincelage. A titre d'exemple, le procédé est décrit ci-dessous dans le cas d'une pièce cylindrique, par exemple un disque, en référence à la figure 4. A l'étape (a), on fournit un élément cylindrique réalisé en deuxième alliage et qui s'étend selon un axe longitudinal A. On usine dans cet élément un alésage cylindrique de diamètre D centré sur l'axe longitudinal A de façon à forme un élément annulaire cylindrique dont l'axe longitudinal est l'axe A. Cet élément constitue la deuxième partie 20. Puis on insère dans cet alésage de la deuxième partie 20 un cylindre de diamètre D et de même hauteur que cet élément annulaire cylindrique, et qui constitue la première partie 10. La surface radialement interne de la deuxième partie 20 et la surface radialement externe de la première partie 10 sont ainsi en contact et leur interface constitue la zone de contact 30 (étape (b)). Puis on effectue une compression isostatique à chaud de la deuxième partie 20 et de la première partie 10, de telle sorte qu'il s'effectue un soudage diffusion entre le premier alliage et le deuxième alliage au niveau de la zone de contact 30 afin d'obtenir un bloc monolithique qui constitue la pièce 1 (étape (c)). Optionnellement, on effectue ensuite un filage de la pièce 1 (par passage dans une filière) afin de produire une barre au diamètre désiré, puis un écroutage et une découpe de cette barre perpendiculairement à l'axe longitudinal A de façon à former des lopins, chaque lopin étant ensuite apte à être forgé. Dans tous les modes d'obtention de la pièce 1 selon l'invention et qui-sont décrits ci-dessus en référence aux figures 3 et 4, on obtient ainsi un disque (ou un cylindre) avec une zone centrale constituée du premier 35 alliage, et une zone radialement externe constituée du deuxième alliàge. Optionnellement, un tel disque peut ensuite subir un perçage en la partie centrale de sa zone centrale afin d'obtenir un anneau. Alternativement, comme représenté en figure 5, un anneau constitué du premier alliage et du deuxième alliage est obtenu comme suit : A l'étape (a), on fournit un élément cylindrique réalisé en deuxième alliage et qui s'étend selon un axe longitudinal A. On usine dans cet élément un alésage cylindrique de diamètre Dl centré sur l'axe longitudinal A de façon à former un élément annulaire cylindrique dont l'axe longitudinal est l'axe A. Cet élément constitue la deuxième partie 20. Puis on insère dans cet alésage de la deuxième partie 20 un élément annulaire cylindrique de diamètre extérieur Dl et de diamètre intérieur D2 strictement inférieur à D1 et qui constitue la première partie 10. La surface radialement interne de la deuxième partie 20 et la surface radialement externe de la première partie 10 sont ainsi en contact et leur interface constitue la zone de contact 30 (étape (b)). Puis on effectue une compression isostatique à chaud de la deuxième partie 20 et de la première partie 10, de telle sorte qu'il s'effectue un soudage diffusion entre le premier alliage et le deuxième alliage au niveau de la zone de contact 30 afin d'obtenir un bloc monolithique qui constitue la pièce 1 (étape (c)). Alternativement, à l'étape (a), la première partie 10 est un premier disque et la deuxième partie 20 est un deuxième disque dont le diamètre est le même que celui du premier disque. A l'étape (b), on place le premier disque et le deuxième disque l'un sur l'autre de façon coaxiale de telle sorte qu'ils forment un disque de même diamètre et dont l'épaisseur est la somme de l'épaisseur du premier disque et du deuxième disque, une face du premier disque épousant ainsi une face du deuxième disque et formant la zone de contact. A l'étape (c), on assemble la première partie 10 et la deuxième partie 20, par exemple par compression isostatique à chaud de telle sorte qu'il se produise un soudage diffusion entre la première partie 10 et la deuxième partie 20 au niveau de la zone de contact. Alternativement, comme représenté en figure 6, à l'étape (a), la première partie 10 est un premier anneau et la deuxième partie 20 est un 35 deuxième anneau. A l'étape (b), on place le premier anneau et le deuxième anneau l'un sur l'autre de façon coaxiale selon un axe longitudinal A de telle sorte qu'une face latérale plane du premier anneau est en contact avec une face latérale plane du deuxième anneau et forme la zone de contact 30. A l'étape (c), on assemble la première partie 10 et la deuxième partie 20, par exemple par compression isostatique à chaud 5 de telle sorte qu'il se produise un soudage diffusion entre la première partie 10 et la deuxième partie 20 au niveau de la zone de contact 30. Par exemple le diamètre intérieur et le diamètre extérieur du deuxième anneau sont respectivement les mêmes que le diamètre intérieur et le diamètre extérieur du premier anneau (figure 6). 10 Dans le cas général, en fonction de la géométrie de la pièce finale, la première partie 10 et la deuxième partie 20 peuvent présenter des géométries différentes. Dans le cas général, la pièce finale est constituée de plus de deux parties, par exemple elle est constituée de trois anneaux coaxiaux 15 superposés, ou de trois cylindres coaxiaux superposés. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce (1) constituée de plusieurs alliages métalliques de compositions différentes, caractérisé en ce qu'il 5 comprend les étapes suivantes : (a) On fournit plusieurs parties, chaque partie étant réalisée en un desdits alliages de telle sorte que chacune desdites parties est en un alliage distinct, (b) On place lesdites parties de telle sorte que chacune desdites parties 10 est en contact avec au moins une autre desdites parties. (c) On effectue un soudage desdites parties entre elles au niveau de leurs zones de contact (30) avant l'opération de forgeage final de ladite pièce constituée desdites parties soudées entre elles. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, à l'étape 15 (a), chacune desdites parties est initialement sous forme de poudre. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, à l'étape (c), le soudage est un soudage par diffusion. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, à l'étape (a), chacun desdites parties est sous forme solide. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que, à l'étape (c), le soudage est choisi dans le groupe constitué du soudage par diffusion, du soudage par friction, du soudage par étincelage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que, avant l'étape (c), aucune des deux parties n'a 25 encore subi d'opération de forgeage. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que, après l'étape (c), on effectue les étapes suivantes : (d) On effectue le forgeage final de ladite pièce (1), (e) On effectue, après l'étape (d), un traitement thermique de ladite 30 pièce (1) qui comprend une mise en solution à une température TM suivie d'une trempe à température ambiante TA puis d'un revenu à une température TR. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que chacun desdits alliages est apte à être durci par précipitation d'une phase durcissante, ladite température de mise en solution TM étant supérieure à la température de solvus 81 de la phase durcissante d'au moins un desdits alliages et ladite température de mise en solution TM étant inférieure à la température de solvus Oj de la phase durcissante d'au moins un autre desdits alliages. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 5 caractérisé en ce que ladite pièce (1) est constituée d'une première partie (10) constituée d'un premier alliage et d'une deuxième partie (20) constituée d'un deuxième alliage. 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit premier alliage et ledit deuxième alliage sont chacun aptes à être durcis 10 par précipitation d'une phase durcissante et en ce que ladite température de mise en solution TM est supérieure à la température de solvus 02 de ladite phase durcissante du deuxième alliage et est inférieure à la température de solvus 01 de ladite phase durcissante du premier alliage.