Brevet FR3052463A1 — publié le 20171215

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un procédé de fabrication de superalliages à base de nickel contenant de l'hafnium. ETAT DE L'ART On connaît déjà dans l'état de la technique, des superalliages à base de nickel. Par "superalliages", on entend des alliages complexes présentant, à haute température et à haute pression, une très bonne résistance à l'oxydation, à la corrosion, au fluage et à des contraintes cycliques (notamment mécaniques ou thermiques). Ces superalliages trouvent une application particulière dans la fabrication de pièces utilisées dans l'aéronautique, par exemple des aubes de turbine. Les superalliages peuvent être durcis par un traitement dit "de mise en solution". Un tel traitement consiste à chauffer l'alliage à une température appropriée élevée, inférieure à la température eutectique et à maintenir cette température suffisamment longtemps pour homogénéiser les concentrations élémentaires de ses constituants et contrôler la taille des précipités intermétalliques. Ceci permet d'optimiser les propriétés microstructurales du matériau. Afin d'améliorer encore la tenue à l'oxydation des superalliages à base de nickel, on ajoute volontairement à ceux-ci de l'hafnium. Cependant, la présence d'hafnium dans le superalliage rend plus difficile la mise en solution 25 totale ou quasi-totale des eutectiques et entraine des défauts de brûlures. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention a donc pour objectif de résoudre les inconvénients 30 précités de l'état de la technique et de proposer un procédé de fabrication d'un superalliage à base de nickel contenant de l'hafnium permettant d'obtenir un superalliage qui conserve le rôle bénéfique de l'hafnium dans l'amélioration de la 3052463 2 tenue à l'oxydation et à la corrosion mais sans avoir les inconvénients d'une mise en solution difficile. A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en superalliage monocristallin à base de nickel contenant de l'hafnium. 5 Conformément à l'invention, ce procédé comprend les étapes successives suivantes consistant à : - fabriquer un superalliage monocristallin, non dopé à l'hafnium, à base de nickel, - fabriquer une pièce à partir de ce superalliage, 10 - déposer sur ladite pièce, une couche nanocristalline ou microcristalline comprenant de l'hafnium, - réaliser un traitement de diffusion de l'hafnium de façon à former une couche d'interdiffusion en surface de ladite pièce, et à obtenir ainsi une pièce en superalliage monocristallin à base de nickel contenant de l'hafnium. 15 Grâce à ces caractéristiques de l'invention, le superalliage obtenu présente des propriétés mécaniques améliorées grâce à une mise en solution quasi-totale ou améliorée des eutectiques tout en conservant une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de 20 l'invention, prises seules ou en combinaison : - le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique : - 5,2 % d'aluminium, 6,5 % de cobalt, 7,8 % de chrome, 2 % de molybdène, 7,9 % de tantale, 1,1 % de titane, 5,7 % de tungstène et le reste de 25 nickel ou - 5,6 % d'aluminium, 9,6 % de cobalt, 6,5 % de chrome, 0,6 % de molybdène, 3 % de rhénium, 6,5 % de tantale, 1 % de titane, 6 % de tungstène et le reste de nickel ou - 5,73 % d'aluminium, 9,6 % de cobalt, 3,46 % de chrome, 0,6 % de 30 molybdène, 4,9 % de rhénium, 8,3 % de tantale, 0,9 % de titane, 5,5 % de tungstène et le reste de nickel ou - 5,7 % d'aluminium, 3 % de cobalt, 2 % de chrome, 0,4 % de molybdène, 6 % de rhénium, 8 % de tantale, 0,2 % de titane, 5 % de tungstène, 0,1 % de niobium et le reste de nickel ou 3052463 3 - 5,8 % d'aluminium, 12,5 % de cobalt, 4,2 % de chrome, 1,4 % de molybdène, 5,4 % de rhénium, 7,2 % de tantale, 6 % de tungstène et le reste de nickel ou - 6 % d'aluminium, moins de 0,2 % de cobalt, 4 % de chrome, 1 % de 5 molybdène, 4 % de rhénium, 5 % de tantale, 0,5 % de titane, 5 % de tungstène, 4% de ruthénium et le reste de nickel. DESCRIPTION DETAILLEE 10 Le procédé conforme à l'invention consiste tout d'abord à fabriquer un superalliage monocristallin, non dopé à l'hafnium, à base de nickel. Par - non dopé à l'hafnium », on entend exempt d'hafnium. Le tableau 1 ci-dessous cite plusieurs exemples préférentiels des superalliages susceptibles d'être utilisés dans le procédé conforme à l'invention. 15 Ils sont identifiés par les lettres A à F. D'autres superalliages monocristallins à base de nickel non dopés à l'hafnium peuvent également être utilisés. Tableau 1 Exemples de superalliages nnonocristallins à base de nickel sans hafnium Elements alliages (pourcentages massiques) Ni Al Co Cr Mo Re Ta Ti W Cb Ru A Reste 5,2 6,5 7,8 2 0 7,9 1,1 5,7 B Reste 5,6 9,6 6,5 0,6 3 6,5 1 6 C Reste 5,73 9,6 3,46 0,6 4,87 8,28 0,86 5,5 D Reste 5,7 3 2 0,4 6 8 0,2 5 0,1 E Reste 5,8 12,5 4,2 1,4 5,4 7,2 0 6 F Reste 6 On soumet ensuite la pièce obtenue à un traitement de mise en solution, et ce comme exposé précédemment dans l'introduction. De préférence, ce traitement consiste en une première étape de montée en température jusqu'à atteindre une température d'environ 1100°C pendant une durée comprise entre quelques minutes à 4 heures, suivie d'une 3052463 4 deuxième étape de montée en température jusqu'à atteindre une température d'environ 1200°C pendant une durée comprise entre quelques minutes à 4 heures, et enfin une troisième étape de montée en température jusqu'à atteindre une température d'environ 1300°C pendant une durée comprise entre 5 quelques minutes à 4 heures. On dépose ensuite sur ladite pièce ainsi fabriquée, une couche nanocristalline ou microcristalline comprenant de l'hafnium, de préférence au moins 90 % atomique d'hafnium. Cette couche peut, par exemple, contenir du zirconium en plus de l'hafnium. De préférence, cette couche présente une 10 épaisseur comprise entre 50 nm et 800 nm, de préférence encore comprise entre 50 nm et 300 nm. Le dépôt de cette couche comprenant de l'hafnium peut être réalisé par dépôt physique en phase vapeur (PVD), de préférence par pulvérisation cathodique. Ceci permet de bien contrôler l'épaisseur déposée. 15 On peut également citer l'emploi du dépôt physique en phase vapeur par faisceau d'électrons (EBPVD pour "electron beam chemical vapor deposition"), l'évaporation, l'ablation par laser pulsé ou la pulvérisation cathodique. Cette dernière technique a l'avantage de permettre la formation de films denses, d'une épaisseur nanonnétrique ou micrométrique et qui présentent 20 une adhérence sur la couche précédente supérieure à celle obtenue avec les autres techniques de dépôt. Le dépôt PVD s'effectue à l'intérieur d'une enceinte contenant la pièce et une ou plusieurs cibles correspondant au(x) matériau(x) à déposer, ici notamment l'hafnium. Sous l'application d'une différence de potentiel entre les 25 parois du réacteur et la (les) cible(s), un plasma se forme dont les espèces positives sont attirées par la cathode (cible) et entrent en collision avec celle(s)-ci. Les atomes de la ou des cible(s) sont pulvérisés et se condensent alors sur ladite pièce. De préférence, les conditions de dépôt sont les suivantes : - Chauffage pendant le dépôt : de 100 à 900°C - Pression : de 0,1 Pa à 1 Pa - Densité de puissance : 2 à 15 W/cm2 - Polarisation : - 500V à -150 V Le bombardement ionique est réalisé pendant 10 à 30 minutes entre -200V et 500V. 3052463 5 Le dépôt de la couche comprenant de l'hafnium peut également être réalisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Parmi les techniques de dépôts chimiques en phase vapeur (CVD), on peut citer par exemple : 5 - le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD pour "plasma enhanced chemical vapor deposition"), - le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD pour "low pressure chemical vapor deposition"), - le dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide (UHVCVD pour 10 "ultra high vacuum chemical vapor deposition"), - le dépôt chimique en phase vapeur à la pression atmosphérique (APCVD pour "atmospheric pressure chemical vapor deposition"), - le dépôt chimique en phase vapeur de couches atomiques (ALCVD pour "atomic layer chemical vapor deposition"), 15 - l'aluminisation chimique en phase vapeur (CVA pour "chemical vapor aluminization). Ladite pièce est alors soumise à un traitement de diffusion de l'hafnium, de façon à former à la surface de ladite pièce, une couche d'interdiffusion, dans laquelle de l'hafnium est présent. 20 De préférence, le traitement de diffusion est réalisé en plaçant la pièce recouverte de la couche comprenant de l'hafnium à l'intérieur d'une enceinte, en amenant celle-ci sous vide ou en introduisant à l'intérieur de celle-ci une atmosphère contenant un mélange de 95% en volume d'argon et de 5% en volume d'hélium, puis en effectuant le traitement thermique décrit ci-après. 25 De préférence, ce traitement thermique comprend une phase de montée en température, jusqu'à atteindre une température comprise entre 500°C et 1200°C, une phase de maintien de ce palier de température pendant une durée de 1 heure à 4 heures et une phase de refroidissement qui consiste à faire diminuer la température à l'intérieur de l'enceinte jusqu'à retourner à la 30 température ambiante. Le procédé conforme à l'invention présente de nombreux avantages cités ci-après. Lors de la première étape du procédé, l'élaboration d'un superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium et son 35 utilisation pour la fabrication d'une pièce ne présentent pas de difficultés. 3052463 6 Au contraire, dans l'état de la technique (superalliage dopé en hafnium), la mise en forme de la pièce, notamment par fonderie, aboutissait lors de sa solidification à des pertes d'hafnium qui étaient différentes selon la géométrie de la pièce ou son temps de solidification. De même cette pièce 5 risquait de s'oxyder (formation d'oxyde d'hafnium). Ceci n'est pas le cas avec le procédé de l'invention puisqu'il n'y a pas d'hafnium à ce stade. Lors de l'étape de mise en solution, l'homogénéisation des constituants de la pièce et la remise en solution du superalliage sont optimales. Lors des attaques chimiques réalisées dans le cadre du contrôle 10 non destructif des pièces, il n'y a pas d'attaque préférentielle des eutectiques résiduels. Enfin, le dépôt ultérieur de la couche contenant de l'hafnium et sa diffusion aboutissent à la formation d'une pièce plus robuste, présentant une meilleure tenue mécanique via une mise en solution quasi-totale ou améliorée 15 des eutectiques et une meilleure tenue à l'oxydation et à la corrosion. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce en superalliage monocristallin à base de nickel contenant de l'hafnium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes consistant à : - fabriquer un superalliage monocristallin, non dopé à l'hafnium, 5 à base de nickel, - fabriquer une pièce à partir de ce superalliage, - déposer sur ladite pièce, une couche nanocristalline ou microcristalline comprenant de l'hafnium, - réaliser un traitement de diffusion de l'hafnium de façon à 10 former une couche d'interdiffusion en surface de ladite pièce, et à obtenir ainsi une pièce en superalliage monocristallin à base de nickel contenant de l'hafnium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la couche comprenant de l'hafnium est réalisé par dépôt physique en phase vapeur (PVD). 15 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dépôt de la couche comprenant de l'hafnium est réalisé par pulvérisation cathodique. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la couche comprenant de l'hafnium est réalisé par dépôt chimique en 20 phase vapeur (CVD), de préférence par une technique choisie parmi le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), l'aluminisation chimique en phase vapeur (CVA), le dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide (UHVCVD), le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), le dépôt chimique en phase vapeur à la pression atmosphérique (APCVD), le dépôt 25 chimique en phase vapeur de couches atomiques (ALCVD). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche comprenant de l'hafnium déposée sur ladite pièce présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 800 nm, de préférence entre 50 nm et 300 nm. 30 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement de diffusion de l'hafnium est réalisé sous vide ou sous un mélange de 95% en volume d'argon et de 5% en volume d'hélium, en effectuant une montée en température jusqu'à amener ladite pièce à une 3052463 8 température comprise entre 500°C et 1200°C, maintenir cette température pendant 1 heure à 4 heures et refroidir ladite pièce jusqu'à l'amener à température ambiante. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique 5,2 % d'aluminium, 6,5 % de cobalt, 7,8 % de chrome, 2 % de molybdène, 7,9 % de tantale, 1,1 % de titane, 5,7 % de tungstène et le reste de nickel. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique 5,6 % d'aluminium, 9,6 % de cobalt, 6,5 % de chrome, 0,6 % de molybdène, 3 % de rhénium, 6,5 % de tantale, 1 % de titane, 6 % de tungstène et le reste de nickel. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique 5,73 % d'aluminium, 9,6 % de cobalt, 3,46 % de chrome, 0,6 % de molybdène, 4,9 % de rhénium, 8,3 % de tantale, 0,9 % de titane, 5,5 % de tungstène et le reste de nickel. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce 20 que le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique 5,7 % d'aluminium, 3 % de cobalt, 2 % de chrome, 0,4 % de molybdène, 6 % de rhénium, 8 % de tantale, 0,2 % de titane, 5 % de tungstène, 0,1 % de niobium et le reste de nickel. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce 25 que le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique 5,8 % d'aluminium, 12,5 % de cobalt, 4,2 % de chrome, 1,4 % de molybdène, 5,4 % de rhénium, 7,2 % de tantale, 6 % de tungstène et le reste de nickel. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce 30 que le superalliage monocristallin à base de nickel non dopé à l'hafnium comprend en pourcentage massique 6 % d'aluminium, moins de 0,2 % de cobalt, 4 % de chrome, 1 % de molybdène, 4 % de rhénium, 5 % de tantale, 0,5 % de titane, 5 % de tungstène, 4% de ruthénium et le reste de nickel.