Brevet FR3013060A1 — publié le 20150515

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les pièces en superalliages à base de nickel, et plus particulièrement un procédé de traitement thermique applicable à de telles pièces en vue d'améliorer, notamment, leur tenue au fluage et en traction. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Pour répondre à l'augmentation significative des températures et des contraintes dans les parties chaudes des turboréacteurs civils et militaires de nouvelle génération ainsi que des turbomoteurs de manière générale, il est nécessaire d'améliorer les caractéristiques mécaniques des alliages actuels et notamment la résistance au fluage qui devient très dimensionnante et du premier ordre à haute température. Les alliages utilisés pour les pièces de ces parties chaudes tels que les disques, les anneaux, les flasques, les labyrinthes ou encore les carters sont classiquement des superalliages à base de nickel. Par superalliages à base de nickel, on désigne les alliages dans lesquels le nickel entre pour au moins 50% en poids dans leur composition (tous les pourcentages donnés dans ce texte seront des pourcentages pondéraux), et comprenant une zo matrice gamma y avec des précipités intermétalliques y' (Ni3(AI,Ti)). La phase y est une solution solide présentant un cristal cubique à faces centrées et différentes espèces d'atomes distribuées dans le cristal. En comparaison, la phase y' présente une maille cristalline ordonnée, également cubique à faces centrées de type L12, où le nickel occupe le 25 centre des faces du cube et le titane et l'aluminium les sommets du cube. Dans les parties les plus chaudes, notamment pour les pièces tournantes du type disque et anneaux, les alliages utilisés sont des superalliages à base de nickel de type y/y' à forte teneur en phase y', c'est-à-dire au moins 25% de phase y'. 30 La résistance mécanique de ces matériaux est assurée principalement par durcissement structural du matériau, obtenu notamment par précipitation de la phase y' lors d'un traitement thermique spécifique. Le matériau sera d'autant plus durci que la phase y' sera fine et d'une répartition homogène. Cette précipitation contrôlée s'opère lors du traitement thermique au cours du refroidissement après mise en solution. La phase y' sera d'autant plus fine et homogène que le refroidissement après mise en solution est rapide. La taille de grain, qui est pilotée par le forgeage mais également par le traitement thermique subi par la pièce, est par ailleurs un paramètre microstructural important et du premier ordre vis-à-vis des propriétés mécaniques. Classiquement, des grains fins seront favorables aux propriétés de traction et de fatigue, alors qu'une taille de grain élevée sera favorable à la résistance au fluage et à la fissuration. Les microstructures classiques de ces superalliages à base de nickel de type y/y' sont constitués de grains relativement fins (5 à 20pm). La taille de grain est contrôlée par la présence de y' appelés primaires (y'p), issus de la gamme de transformation amont (conversion lingot) puis conservés et formatés lors du forgeage et du traitement thermique pour permettre de contrôler la taille de grain (typiquement une teneur de 15% de y' primaires de taille de l'ordre de 3 à 5pm permet d'obtenir une taille de grain d'environ 10pm). Les y' secondaires (y's) et tertiaires (y't) qui précipitent lors du refroidissement après mise en solution vont précipiter à l'intérieur du grain et durcir ainsi le matériau. Pour augmenter la capacité en température de ces superalliages base nickel y/y' et notamment améliorer leur propriétés de fluage, il est nécessaire d'augmenter la taille de grain du matériau sur pièce, tout en conservant une précipitation fine et homogène de la phase y'. L'augmentation de la taille de grain est classiquement réalisée sur ce type alliage base nickel y/y' par une mise en solution du superalliage au-dessus de la température de solvus y'. La phase de y' primaire qui bloque les joints de grains est alors entièrement dissoute de sorte que le grain peut grossir. En conséquence, dans ce cas, la fraction volumique de phase y' disponible pour durcir le matériau par précipitation est maximale. Cependant, la conjonction d'une taille de grain élevée, d'une forte teneur en y' et de vitesses de refroidissement élevées lors de la trempe après mise en solution nécessaires à l'obtention des propriétés mécaniques, génèrent des contraintes résiduelles importantes qui peuvent conduire localement à des décohésions inter-granulaires puis à des criques (appelées également tapures) rédhibitoires lorsque ces contraintes sont proches ou supérieures à la limite à rupture intrinsèque du matériau. RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc d'améliorer les traitements thermiques connus afin d'obtenir une pièce réalisée dans un superalliage à base de nickel qui présente à la fois une bonne tenue au fluage, à la fissuration, en traction et en fatigue, tout en réduisant le niveau de contraintes résiduelles dans la pièce finale. Pour cela, l'invention propose un procédé de traitement thermique d'une pièce dans un superalliage à base de nickel comprenant une matrice gamma et des précipités intermétalliques gamma' (y' (Ni3(AI,Ti))), telle qu'une pièce de turbomachine, comprenant une étape de mise en solution super-solvus au cours de laquelle la pièce est portée à une température supérieure au solvus y' de son matériau constitutif, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes supplémentaires suivantes : - refroidissement lent de la pièce jusqu'à une température inférieure au solvus y', afin de réduire les gradients thermiques dans la pièce, - mise en solution subsolvus de la pièce à une température inférieure au solvus y' de son matériau constitutif, et - refroidissement rapide de la pièce de manière à précipiter la phase y' intragranulaire. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé de traitement thermique sont les suivantes : - la mise en solution super-solvus est effectuée à une température inférieure à la température de brûlure du matériau constitutif de la pièce. - le refroidissement lent est effectué suivant une cinétique de refroidissement inférieure ou égale à 80°C/min dans le domaine de températures de précipitation de la phase y', de préférence 60°C/min, par exemple 50°C/min, - la mise en solution subsolvus est effectuée à une température inférieure de 10°C à 30°C à la température du solvus y', - le refroidissement rapide est effectué suivant une cinétique de refroidissement supérieure à 80°C/min dans le domaine de températures de précipitation de la phase y', de préférence supérieure à 100°C/min, - le refroidissement rapide est effectué à l'aide d'un fluide tel que de l'air pulsé, de l'huile, de l'eau additivée d'un polymère ou de l'eau, - au cours du refroidissement lent, la pièce est au moins refroidie jusqu'à une température minimale du domaine de températures de précipitations de la phase y', - le procédé comprend en outre une étape supplémentaire de revenu de la pièce après l'étape de refroidissement rapide, afin de réduire les contraintes dans la pièce, et - le superalliage de la pièce est l'un parmi les superalliages suivants : AD730TM, N18, UDIMET 720 ou Astroloy. L'invention propose également une pièce de turbomachine, traitée thermiquement suivant un procédé de traitement thermique comme décrit ci-dessus. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 illustre schématiquement les étapes d'un exemple de procédé conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, La figure 2 illustre schématiquement les étapes d'un exemple de procédé conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention, et La figure 3 illustre la structure typique d'un superalliage à base de nickel de type y/y', dans lequel sont visibles des précipités y' primaires (YiD), précipités y' secondaires (y's) et précipités y' tertiaires (y't). DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Dans ce qui suit, l'invention va être plus particulièrement décrite en relation avec le traitement thermique d'une pièce d'une turbomachine dans un superalliage à base de nickel. Ceci n'est cependant pas limitatif, dans la mesure où ce traitement thermique S peut être appliqué à toute pièce comprenant un tel superalliage devant présenter une bonne tenue au fluage, en traction, à la fissuration et en fatigue. Ici, la pièce est de préférence dans un superalliage à base de nickel, comprenant une matrice gamma y avec des précipités intermétallique y'. De préférence, le superalliage à base de nickel comprend des précipités intermétallique y' à base d'aluminium et de titane (Ni3(AI,Ti)). Le superalliage peut en outre comprendre du cobalt, du chrome et/ou du molybdène. A titre d'exemple, la pièce peut par exemple être réalisée dans un superalliage du type AD730TM, N18, UDIMET 720 ou encore Astroloy. Le procédé S selon l'invention propose de scinder le traitement thermique de mise en solution et de refroidissement en deux séquences avec un traitement thermique comprenant une double mise en solution. Ce traitement thermique est appliqué de préférence directement à la pièce, c'est-à-dire une fois que celle-ci a été forgée. Ainsi, au cours d'une première étape S1, la pièce est mise en 30 solution à une température supérieure au solvus y' de son matériau constitutif (mise en solution super-solvus). Par solvus, on comprendra ici la température à partir de laquelle les précipités y' sont complètement remis en solution (c'est-à-dire dissouts). Passée cette température, le superalliage ne comprend alors plus de phase y', dont les éléments sont en solution. Par exemple, pour une pièce réalisée dans un superalliage du type AD730TM, N18, UDIMET 720 ou Astroloy, le solvus y' est respectivement de 1100 °C, 1195°C, 1150°C ou 1145°C. De préférence, la température de l'étape de mise en solution reste inférieure à la température de brûlure du superalliage, c'est-à-dire la température à partir de laquelle l'alliage commence localement à se mettre en fusion. Par exemple, pour le superalliage N18, la température de l'étape Si de mise en solution reste de préférence inférieure à 1220°C. Par exemple, le traitement de mise en solution peut être effectué à une température supérieure de 10°C à 30°C, par exemple 20°C, au solvus y' du superalliage. Ainsi, pour un superalliage du type AD730TM, N18, UDIMET 720 ou Astroloy, la température du traitement de mise en solution super-solvus peut être respectivement de 1120 °C, 1205°C, 1170°C ou 1165°C. La cinétique de la montée en température de l'étape 51 n'a pas d'influence sur la qualité métallurgique de la pièce. Par ailleurs, la mise en solution super-solvus est effectuée pendant une durée suffisante pour garantir que la totalité de la phase y' est mise en solution, par exemple pendant une durée comprise entre 1 h et 4h. En effet, il est nécessaire que la phase y' soit complètement dissoute afin de permettre aux grains de grossir. Cependant, il est préférable de ne pas chauffer trop longtemps (plus de 10h par exemple) la pièce pour que les grains ne grossissent pas trop. Au cours d'une deuxième étape S2, la pièce est ensuite refroidie lentement dans le domaine de températures de précipitation de la phase y' 30 jusqu'à une température inférieure au solvus y'. Le refroidissement S2 doit être suffisamment lent pour réduire les gradients thermiques dans la pièce en minimisant les contraintes résiduelles susceptibles de conduire aux tapures de trempe. Selon une forme de réalisation, la cinétique de refroidissement de la pièce au cours de l'étape S2 est inférieure ou égale à 80°C/min dans le domaine de températures de précipitation de la phase y', de préférence inférieure à 60°C/min, par exemple de l'ordre de 50°C/min. Cette cinétique de refroidissement est importante dans le domaine de précipitation de la phase y', qui correspond au domaine de températures dans lequel la phase y' précipite. Pour les exemples de superalliages cités dans la description (AD730TM, N18, UDIMET 720 ou Astroloy), le domaine de précipitation de la phase y' est compris entre environ 700°C et le solvus y'. Ainsi, la cinétique de refroidissement de la pièce au cours de l'étape S2 est de préférence lente, par exemple inférieure à 80 °C/min entre la température de mise en solution super-solvus et la température minimale du domaine de précipitation de la phase y', soit environ 700°C, puis peut être maintenue ou accélérée jusqu'à la température finale choisie de l'étape S2. Par exemple, le refroidissement S2 peut être effectué à l'air. Dans tous les cas, suite à l'étape de refroidissement S2, la zo température de la pièce doit être inférieure en tout point au solvus y', et de préférence à la température minimale du domaine de précipitation de la phase y'. Ainsi, selon une première forme de réalisation, la pièce peut être refroidie S2 jusqu'à température ambiante. En variante, comme illustré sur la figure 2, le temps de 25 refroidissement de la pièce peut être ajusté de telle sorte que le point le plus chaud de ladite pièce atteigne une température inférieure au solvus y', et de préférence à la température minimale du domaine de précipitation de la phase y' (environ 700°C pour les superalliages précités). Ce temps de refroidissement dépend notamment de la géométrie de la pièce, de son 30 matériau constitutif ainsi que de la température atteinte au cours de l'étape de mise en solution super-solvus. La mise en solution super-solvus S1 permet de faire grossir le grain grâce à la dissolution des précipités y' primaires. Par ailleurs, la cinétique lente du refroidissement S2 après cette mise en solution D1 permet de réduire les gradients thermiques dans la pièce lors du refroidissement et de minimiser ainsi les contraintes résiduelles qui conduisent aux tapures de trempe, lorsque le refroidissement est trop élevé. Toutefois, une faible vitesse de refroidissement après la mise en solution super-solvus S1 ne permet pas d'obtenir une taille de précipités y' suffisamment fine pour obtenir les caractéristiques en traction et en fatigue requises, notamment dans le domaine de l'aéronautique, comme par exemple pour les disques de turbomachine qui sont particulièrement chargés. Au cours d'une troisième étape S3, la pièce est donc à nouveau mise en solution, à une température inférieure au solvus y' de son matériau constitutif (mise en solution subsolvus) pour mettre partiellement en solution la phase y'. Par exemple, le traitement de mise en solution S3 peut être effectué à une température inférieure de 10°C à 30°C, par exemple 20°C, au solvus y' du superalliage. Ainsi, pour un superalliage du type AD730TM, N18, UDIMET 720 ou Astroloy, la température du traitement de mise en solution subsolvus S3 peut être respectivement de 1080 °C, 1165°C, 1120°C ou 1125°C. La cinétique de la montée en température de l'étape S3 n'a pas d'influence sur la qualité métallurgique de la pièce. Par ailleurs, la mise en solution subsolvus est effectuée pendant une durée suffisante pour mettre une fraction de la phase y' en solution, par exemple pendant une durée comprise entre 1 h et 4h. Au cours d'une quatrième étape S4, la pièce est alors refroidie rapidement dans le domaine de températures de précipitation de la phase y'. Par exemple, le refroidissement peut être effectué par air pulsé ou à l'aide d'un fluide (huile, eau additivée d'un polymère, eau, etc.). Selon une forme de réalisation, la cinétique de refroidissement de la pièce au cours de l'étape S4 est supérieure à 80°C/min dans le domaine de températures de précipitation de la phase y', de préférence supérieure à 100°C/min. Cette cinétique de refroidissement est importante dans le domaine de précipitation de la phase y'. Ainsi, la cinétique de refroidissement de la pièce au cours de l'étape S4 est de préférence rapide, par exemple de l'ordre de 100 °C/min, entre la température de mise en solution subsolvus et la température minimale du domaine de précipitation de la phase y', soit environ 700°C, puis peut être maintenue ou ralentie jusqu'à la température finale choisie de l'étape S4 (par exemple la température ambiante). Cette mise en solution subsolvus S3 permet d'obtenir la précipitation recherchée pour la phase y' intragranulaire, et donc de renforcer la tenue mécanique de la pièce, notamment en traction et en fatigue. Par ailleurs, cette mise en solution S3 permet de réduire le niveau de contraintes résiduelles en comparaison avec un refroidissement rapide depuis une température supérieure au solvus y' grâce à la conjonction des trois effets suivants : - La mise en solution subsolvus S3 permet de faire précipiter une fraction de phase y' aux joints de grains, ce qui permet d'en renforcer leur tenue à l'issue de l'étape de refroidissement rapide en présence de 25 contraintes, - La mise en solution subsolvus S3 permet de réduire la fraction de phase y' précipitant lors de la trempe et de fait les contraintes résiduelles liées à la précipitation de cette phase, et - Le refroidissement S4 s'opère depuis une température moins élevée 30 qui contribue également à la réduction des contraintes résiduelles liées au gradient thermique. Par conséquent, le refroidissement S4 s'opère sur une structure moins chargée en y', ce qui permet, malgré le refroidissement rapide, d'éviter les tapures de trempe. De plus, le refroidissement rapide S4 après mise en solution S3 permet de formater la taille et la répartition de la phase y' afin d'atteindre les propriétés mécaniques exigées. Enfin, après la double mise en solution S1-S4, le traitement thermique S peut comprendre un traitement classique de revenu S5 de la pièce, afin de réduire les contraintes internes dans la pièce. Ce revenu, comprenant successivement une chauffe à basse température (typiquement entre 650°C et 850°C), pendant un temps long (plusieurs heures), un maintien en température et un refroidissement lent (typiquement refroidissement air), participe également à l'obtention des propriétés mécaniques sans générer de contraintes résiduelles.15 REVENDICATIONS1. Procédé de traitement thermique (S) d'une pièce dans un 5 superalliage à base de nickel comprenant une matrice gamma (y) et des précipités intermétalliques gamma' (y' (Ni3(AI,Ti))), telle qu'une pièce de turbomachine, comprenant une étape de mise en solution super-solvus (S1) au cours de laquelle la pièce est portée à une température supérieure au solvus y' de son matériau constitutif, le procédé étant caractérisé en ce qu'il 10 comprend les étapes supplémentaires suivantes : - refroidissement lent (S2) de la pièce jusqu'à une température inférieure au solvus y', afin de réduire les gradients thermiques dans la pièce, - mise en solution subsolvus (S3) de la pièce à une température 15 inférieure au solvus y' de son matériau constitutif, et - refroidissement rapide (S4) de la pièce de manière à précipiter la phase y' intragranulaire. 2. Procédé de traitement thermique (S) selon la revendication 1, dans 20 lequel la mise en solution super-solvus (S1) est effectuée à une température inférieure à la température de brûlure du matériau constitutif de la pièce. 3. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des 25 revendications 1 ou 2, dans lequel le refroidissement lent (S2) est effectué suivant une cinétique de refroidissement inférieure ou égale à 80°C/min dans le domaine de températures de précipitation de la phase y', de préférence 60°C/min, par exemple 50°C/min,. 30 4. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la mise en solution subsolvus (S3) esteffectuée à une température inférieure de 10°C à 30°C à la température du solvus y'. 5. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le refroidissement rapide (S4) est effectué suivant une cinétique de refroidissement supérieure à 80°C/min dans le domaine de températures de précipitation de la phase y', de préférence supérieure à 100°C/min. 6. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le refroidissement rapide (S4) est effectué à l'aide d'un fluide tel que de l'air pulsé, de l'huile, de l'eau additivée d'un polymère ou de l'eau. 7. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel au cours du refroidissement lent (S2), la pièce est au moins refroidie jusqu'à une température minimale du domaine de températures de précipitations de la phase y'. 8. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant en outre une étape supplémentaire de revenu (S5) de la pièce après l'étape de refroidissement rapide (S4), afin de réduire les contraintes dans la pièce. 9. Procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le superalliage de la pièce est l'un parmi les superalliages suivants : AD730TM, N18, UDIMET 720 ou Astroloy. 10. Pièce de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle est traitée 30 thermiquement suivant un procédé de traitement thermique (S) selon l'une des revendications 1 à 9.