Brevet FR3134527A1 — publié le 20231020

L’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en alliage base nickel à microstructure γ/γ’ dans lequel on met en œuvre au moins une étape de forgeage sous outillage de forgeage à chaud, caractérisé en ce que la température de chauffage de la pièce lors de l’étape de forgeage est maintenue dans une gamme de température inférieure au domaine de température d’éclatement de grain de l’alliage, la température d’outillage étant maintenue à une température inférieure à la température de la pièce, ladite température d'outillage étant telle que la différence avec la température de chauffage de la pièce est inférieure à 250°C et préférentiellement inférieure à 150°C. Figure pour l’abrégé : Figures 2a et 2b PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE EN ALLIAGE BASE NICKEL DU TYPE γ/γ’ AVEC OUTILLAGE DE FORGEAGE A CHAUD DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces en alliage γ/γ’ avec outillage de forgeage à chaud. Elle trouve avantageusement application dans le domaine de l’aéronautique, notamment pour la fabrication de pièces turbomoteurs, tels que des disques de turbine haute pression ou de turbine basse pression, ou encore des disques de compresseur haute pression. ETAT DE LA TECHNIQUE Les nouveaux alliages base Nickel à microstructure γ/γ’ (tels que l’AD730® de la société Aubert & Duval ou le Rene65 retenu par la société Safran Aircraft Engines pour certains de ses moteurs) sont classiquement utilisés en aéronautique pour des pièces soumises à des sollicitations extrêmes en service. De tels alliages sont par exemple retenus par les fabricants de turbomoteur comme constituants de disques de turbine haute pression ou de disques de turbine basse pression, ou encore pour des disques de compresseur haute pression sur les dernières générations de moteur d’avion. Plus généralement, ils sont aujourd’hui envisagés pour toute pièce de turbomoteur dont on souhaite augmenter la température de fonctionnement et la tenue aux contraintes mécaniques à ces températures. Le procédé de forgeage de ces pièces est une séquence d’étapes de déformation à chaud (écrasement du lopin, matriçage d’ébauche, matriçage finition, etc.) et de traitements thermiques. Les déformations à chaud sont généralement réalisées sur des presses hydrauliques avec des outillages conventionnels chauffés jusqu’à 650°C/ 680°C. En raison de leur forte teneur en phase durcissante γ’, ces alliages ont un domaine de forgeabilité très étroit en température. Pendant les traitements sous presse, les pièces sont chauffées à des températures entre 1040°C et 1070°C, avec une température de peau pour la pièce supérieure à 800 °C pendant tout le forgeage. Deux types de problématiques majeures doivent être maitrisées lors de la fabrication de pièces avec ces alliages. Pendant les opérations de forgeage, le refroidissement lors du transfert entre le four de chauffe et la presse ou lors du contact avec des outillages plus froids pendant le forgeage, conduit à l’apparition de criques de surface qu’il est nécessaire d’éliminer après forgeage par des opérations de parachèvement. Par ailleurs, ces alliages sont sensibles au phénomène d’éclatement de grains (croissance anormale de grain). Dans des conditions de forgeage bien particulières, ce phénomène apparait et se traduit par, localement, un grossissement très important du grain. Ce phénomène - à éviter absolument - est une cause de rebut de la pièce car les propriétés mécaniques, notamment de résistance à la fatigue, de la pièce dans ces zones sont rédhibitoires vis-à-vis des spécifications demandées. Différents travaux ont été menés autour de ces sujets. Le traitement de ces problématiques conduit généralement à des conditions de forgeage très contraignantes. Typiquement, ceci peut conduire à imposer des déformations minimales dans toute la pièce lors des opérations de forgeage. Également, les solutions proposées nécessitent généralement un poids de mise en œuvre de matériau plus important pour d’une part anticiper la perte de matériau lors des opérations de parachèvement qui visent à éliminer les criques de forge et d’autre part, du fait du rajout de matière dans certaines zones, pour pouvoir respecter le critère de déformation minimale afin d’éviter le phénomène d’éclatement de grain. Une conséquence est une opération d’usinage supplémentaire avant l’opération de traitement thermique. Les pièces brutes de forgeage étant plus massives, il y a un risque que le traitement thermique ne génère pas les propriétés mécaniques requises. En effet, sur ces alliages γ/γ’, les propriétés mécaniques statiques sont fortement dépendantes de la vitesse de refroidissement lors du traitement thermique. Une augmentation de la massivité engendre une baisse de cette vitesse et donc des propriétés mécaniques. L’élimination des criques sur les pièces brutes de forge, soit par parachèvement, soit par usinage avant traitement thermique s’accompagne obligatoirement de contrôles spécifiques pour s’assurer de leur totale élimination. En effet, la présence de criques résiduelles de surface avant traitement thermique peut conduire à leur propagation dans la pièce lors de la trempe. Ces contrôles supplémentaires génèrent des surcouts. Un but de l’invention est de proposer une technique de fabrication de pièces en alliage γ/γ’ avec outillage de presse à chaud qui permette de résoudre les problématiques d’éclatement de grains et de criques, sans présenter la complexité et les inconvénients de poids des solutions proposées à ce jour. Notamment, un but de l’invention est de proposer une technique de forgeage sous presse qui permette de diminuer la quantité de matière et d’optimiser le poids de la pièce, tout en permettant d’obtenir des pièces avec très peu de criques, exemptes de zones d’éclatement de grains. La présente invention se propose de réaliser des forgeages avec une nouvelle conception de gamme de forgeage à plus basse température par rapport aux gammes actuelles. Il a en effet été constaté par les inventeurs qu’il était possible de supprimer le phénomène d’éclatement de grains sur ce type d’alliage en réalisant un forgeage à plus basse température. Cette diminution de la température permet de sortir du domaine d’éclatement et donc de ne plus risquer de dégrader la microstructure de la pièce lors du forgeage. A cet effet, selon un aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en alliage base nickel à microstructure γ/γ’ dans lequel on met en œuvre au moins une étape de forgeage sous outillage de forgeage à chaud, caractérisé en ce que la température de chauffage de la pièce est maintenue dans une gamme de température inférieure au domaine de température d’éclatement de grain de l’alliage, l’outillage à chaud étant maintenu à une température inférieure à la température de la pièce, la différence entre cette température et la température de chauffage de la pièce étant inférieure à 325°C et préférentiellement inférieure à 150°C. Par température d’éclatement de grain de l’alliage, on entend ici et dans tout le présent texte, la température en dessous de laquelle une faible déformation dans une gamme de vitesse classique de forgeage ne génère pas de croissance anormale de grains c’est-à-dire une taille de grains éclatés au moins 2 fois supérieure à la taille de grain nominale. On pourra à cet égard avantageusement se référer à la thèse de Marie Agathe Charpagne : « Evolutions de microstructure au cours du forgeage de l’alliage Rene65 » - PSL Research University - Mines Paris Tech - https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01764932 Un cliché de grains éclatés dans une matrice de grains fins est illustré sur la . Ce cliché est issu de la thèse mentionnée ci-dessus (p.151). Les grains éclatés correspondent aux zones blanches au centre. Ainsi, le forgeage est réalisé avec des pièces à faible température, pour ne pas entrer dans le domaine de l’éclatement de grain qui dégrade la microstructure. Ce changement de température de chauffage est en outre accompagné d’un changement des températures d’outillage de forge, la température de l’outillage à chaud (plus élevée) permettant, en diminuant les pertes thermiques lors du contact outillage/pièce, de maintenir la pièce dans son domaine de forgeabilité et de ne pas générer de criques. L’alliage est par exemple du type Rene65, AD730® ou Udimet720 TM . Au moins une étape de forgeage d’ébauche ou de finition est mise en œuvre à une température de chauffage de la pièce égale à la température de solvus γ’ de l’alliage moins 80°C (+/- 10°C) ou inférieure, la température d’outillage étant supérieure à 700°C (+/- 10°C) et inférieure à 900°C (+/- 10°C). Par exemple, la température de chauffage de la pièce est de 1025°C (+/- 10°C) ou inférieure (dans le cas où l’alliage est le Rene65 ou l’AD730® notamment dont les températures de solvus γ’ sont respectivement de 1105°C et de 1110°C, la température de solvus γ’ de l’Udimet720 TM étant quant à elle de 1155°C). L’invention concerne en outre une pièce de turbomoteur d’aéronef, fabriquée en mettant en œuvre un procédé de fabrication tel que proposé, notamment une pièce de disque de turbine haute pression, disque de turbine basse pression, ou disque de compresseur haute pression. Elle concerne également un turbomoteur d’aéronef comportant une telle pièce. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : – la est un cliché de grains éclatés ; – la illustre un disque de turbine réalisé selon un procédé de fabrication conforme à l’état de la technique ; – la illustre un disque de turbine réalisée selon un procédé de fabrication conforme à l’invention ; – la illustre schématiquement un exemple de structure de turboréacteur. Procédé de fabrication d’une pièce en alliage base nickel à microstructure γ/γ’ dans lequel on met en œuvre au moins une étape de forgeage sous outillage de forgeage à chaud, caractérisé en ce que la température de chauffage de la pièce lors de l’étape de forgeage est maintenue dans une gamme de température inférieure au domaine de température d’éclatement de grain de l’alliage, la température d’outillage étant maintenue à une température inférieure à la température de la pièce, ladite température d'outillage étant telle que la différence avec la température de chauffage de la pièce est inférieure à 325°C. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température d’outillage est maintenue à une température dont la différence avec la température de chauffage de la pièce est inférieure à 150°C. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l’alliage est du type Rene65, AD730® ou Udimet720 TM . Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’au moins une étape de forgeage d’ébauche ou de finition est mise en œuvre à une température de chauffage de la pièce égale à la température de solvus γ’ de l’alliage moins 80°C (+/- 10°C) ou inférieure, la température d’outillage étant supérieure à 700°C (+/- 10°C) et inférieure à 900°C (+/- 10°C). Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de chauffage de la pièce est de 1025°C (+/- 10°C) ou inférieure. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la température de chauffage de la pièce est de 1000°C (+/- 10°C) ou supérieure. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de l’outillage est supérieure à 800°C. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température d’outillage est de 850°C ou supérieure. Pièce de turbomoteur d’aéronef, notamment de disque de turbine haute pression, disque de turbine basse pression, ou disque de compresseur haute pression, caractérisée en ce qu’elle est fabriquée en mettant en œuvre un procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes. Turbomoteur d’aéronef, caractérisé en ce qu’il comporte une pièce selon la revendication 9.