Brevet FR3130292A1 — publié le 20230616

La présente invention concerne un alliage à base de nickel, comprenant en pourcentage massique : - 14,5 à 21,5 % de chrome ; - 0,8 à 5,1 % de molybdène ; - 1,5 à 2,5 % d’aluminium ; - 3,2 à 4,4 % de titane ; - 0,01 à 0,10 % de carbone ; - 0,003 à 0,02 % de bore ; et - 0,01 à 0,10 % de zirconium. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une pièce en l’alliage à base de nickel, le procédé comprenant : - l’élaboration d’une billette dont la composition est celle de l’alliage à base de nickel ; - la mise en forme de la pièce ; et - le traitement thermique de la pièce. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Alliage à base de nickel exempt de cobalt Domaine de l’invention La présente invention concerne les alliages à base de nickel. Plus particulièrement, la présente invention concerne les alliages à base de nickel spécifiquement conçus pour une application de type carter de turbine pour moteur aéronautique et exempts de cobalt. État de la technique Les objectifs de l’ACARE en adéquation avec le Pacte vert pour l’Europe de l’Union européenne, ainsi que les exigences de réduction de coûts de possession imposées par les avionneurs, obligent les motoristes à une augmentation importante des performances des turboréacteurs de nouvelle génération avec notamment une réduction forte de la consommation spécifique. Cela se traduit par un besoin d’améliorer le rendement du moteur en réduisant les ventilations des pièces chaudes. Par conséquent, les matériaux vont devoir résister à des températures de fonctionnement de plus en plus chaudes. Par exemple, dans le cas d’un carter de turbine basse pression, certaines zones sont à la fois sollicitées en fatigue et en fluage à très haute température, dont la cible est de 800 °C avec des pics à 850 °C pour les moteurs de nouvelle génération. Or, la durée de vie en fatigue est favorisée par une taille de grains fine (autour de 10 selon la norme ASTM E112, abrégé par la suite en ASTM), alors que les meilleures résistances au fluage sont obtenues sur des microstructures à gros grains (autour de 0 ASTM). Ainsi, il faut un compromis entre ces deux propriétés antagonistes. Aujourd’hui, les principaux alliages connus pour l’application carter de turbine aéronautique sont l’Inconel 718, le 718 Plus, et le Waspaloy. Leurs températures de fonctionnement maximales sont respectivement de l’ordre de 650 °C, 704 °C et 750 °C. Au-delà, leurs propriétés mécaniques chutent à cause d’un adoucissement de leur microstructure. Ces alliages ne sont donc pas conçus pour supporter des températures de l’ordre 800 °C sur de longues durées. D’autres alliages issus de la métallurgie des poudres permettent d’atteindre ces températures de fonctionnement élevées ; par exemple l’alliage décrit dans le document EP 1 840 232 B1. Cependant, cet alliage contient plus de 43 % vol. de précipités γ’ et sa ductilité n’est pas suffisante pour envisager une mise en forme par laminage circulaire, technique employée pour la fabrication de pièces de type carters de turbine pour moteurs aéronautiques. La limite haute communément admise actuellement se situe en effet vers 40 % de précipités γ’. C’est pourquoi, le Waspaloy, alliage contenant 25 % vol. de précipités γ’ (dont la combinaison nominale est en pourcentages massiques Cr 18.00–21.00, Co 12.00–15.00, Mo 3.50–5.00, Al 1.20–1.60, Ti 2.75–3.25, B 0.003–0.01, C 0.02–0.10, Zr 0.02–0.08, Fe 0–2.00, Mn 0–0.10, Si 0–0.15, P 0–0.015, S 0–0.015 et Cu 0–0.10), est à l’heure actuelle celui qui permet d’atteindre le meilleur compromis entre la durée de vie en fatigue et la résistance au fluage à haute température. Ce compromis est assuré par l’obtention d’une taille de grains intermédiaire (entre 2 et 6 ASTM) sur l’ensemble de la pièce. Mais encore une fois, cet alliage n’a pas été conçu pour supporter une température de fonctionnement de 800 °C sur de très longues durées. Certains alliages à 36 % vol. de précipités γ’ comme l’AD730TM ou le Rene65 pourraient présenter de meilleures propriétés que le Waspaloy, mais ils ne permettent pas à ce jour d’atteindre une taille de grains intermédiaire et homogène sur des grandes pièces. Leur taille de grains, qui est uniquement contrôlée par les populations de précipités γ’ primaires, croît en effet très vite lorsque la température dépasse le solvus γ’. Éviter cette croissance excessive de la taille de grains nécessiterait de maîtriser la température de traitement thermique au degré près sur toute la pièce, ce qui n’est pas réalisable dans un four industriel. Ainsi, à l’heure actuelle, il n’existe pas d’alliage qui réunisse à la fois une meilleure résistance à chaud que le Waspaloy, la capacité d’être mis en forme par laminage circulaire, et la capacité d’atteindre une taille de grains intermédiaire homogène sur toute la pièce par traitement thermique pour assurer le compromis entre la résistance au fluage et la durée de vie en fatigue nécessaire à l’application visée. En outre, dans les années à venir, l’approvisionnement en cobalt a de forts risques d’éprouver des difficultés. Par conséquent, l’augmentation des coûts due à ces difficultés est attendue. Il y a donc un besoin de disposer d’un nouvel alliage qui puisse répondre au besoin d’augmenter la température de fonctionnement de la pièce, tout en conservant un mode de fabrication par laminage circulaire et sans dégrader la durée de vie en fatigue par rapport au Waspaloy. Ainsi, un des objectifs de la présente invention est de palier à au moins un des inconvénients mentionnés ci-dessus. Pour cela, la présente invention propose un alliage à base de nickel exempt de cobalt, comprenant en pourcentage massique : - 14,5 à 21,5 % de chrome ; - 0,8 à 5,1 % de molybdène ; - 1,5 à 2,5 % d’aluminium ; - 3,2 à 4,4 % de titane ; - 0,01 à 0,10 % de carbone ; - 0,003 à 0,02 % de bore ; et - 0,01 à 0,10 % de zirconium. D’autres caractéristiques optionnelles et non-limitatives sont les suivantes. L’alliage à base de nickel peut comprendre en pourcentage massique 0,02 à 0,05 % de carbone. L’alliage à base de nickel peut comprendre en pourcentage massique : - 15,4 à 19,5 % de chrome ; - 2,9 à 5,1 % de molybdène ; - 1,65 à 2,45 % d’aluminium ; et - 3,35 à 4,3 % de titane. L’alliage à base de nickel peut comprendre 8,0 % massique ou moins de fer. L’alliage à base de nickel peut comprendre 6,4 % massique ou moins de tungstène, de préférence étant exempt de tungstène. L’alliage à base de nickel peut comprendre 1,0 % massique ou moins de niobium, de préférence 0,15 à 1,0 % de niobium. Par ailleurs, la présente invention propose un procédé de traitement d’un tel alliage comprenant : - la fabrication d’une billette dont la composition est celle de l’alliage à base de nickel ; - la mise en forme de la pièce ; et - le traitement thermique de la pièce. D’autres caractéristiques optionnelles et non-limitatives sont les suivantes. La fabrication de la billette peut comprendre : - l’élaboration d’un lingot, de préférence par fusion de matières ; et - la conversion du lingot en billettes, de préférence par découpe du lingot puis forgeage. La mise en forme de la pièce peut comprendre : - le forgeage de la billette, de préférence par écrasement ; - le laminage de la billette forgée, de préférence par laminage circulaire. Le traitement thermique de la pièce peut comprendre au moins un traitement parmi : - une mise en solution de type supersolvus γ’, de préférence à une température supérieure de 10 à 40 °C au solvus γ’ ; et - une mise en solution de type subsolvus γ’, de préférence à une température inférieure de 10 à 40 °C au solvus γ’. Le traitement thermique peut comprendre en outre : - un revenu de précipitation des carbures de type M 23 C 6 , de préférence par chauffage à une température comprise entre 825 et 870 °C ; et - optionnellement un revenu de stabilisation des populations de précipités γ’, de préférence à une température entre 760 et 825 °C. La présente invention propose également une pièce aéronautique en l’alliage décrit ci-dessus, notamment un carter de turbine. Les alliages à base de nickel exempts de cobalt selon l’invention sont adaptés pour la fabrication de pièces destinées à supporter des températures de l’ordre de 800 °C dans les parties les plus chaudes de celles-ci et des pics de température allant jusqu’à 850 °C, tout en conservant une bonne tenue en fatigue sur l’ensemble de celles-ci. Ce compromis est rendu possible grâce à la maîtrise de la taille de grains par traitement thermique et forgeage, qui permet d’obtenir une taille de grains intermédiaire de type 2 à 6 ASTM. L’alliage est également adapté à une élaboration par coulée sous vide et une mise en forme par laminage circulaire, techniques qui permettent de limiter les coûts de fabrication par rapport à d’autres voies comme la métallurgie des poudres ou la fabrication directe. En outre, l’absence de cobalt dans la composition de l’alliage permet d’éviter les augmentations de coût dues aux difficultés d’approvisionnement en cobalt. Brève description des Figures D’autres objectifs, caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture de la description en référence aux dessins présentés ci-dessous. est un schéma montrant les étapes du procédé de fabrication d’une pièce en un alliage à base de nickel et exempt de cobalt selon l’invention. est un schéma montrant un exemple de sous-étapes de fabrication de la billette du procédé selon l’invention. est un schéma montrant un exemple de sous-étapes d’élaboration du lingot de l’étape de fabrication de la billette. est un schéma montrant un exemple de sous-étapes de la conversion du lingot en billettes de l’étape de fabrication de la billette. est un schéma montrant un exemple de sous-étapes la mise en forme de la pièce du procédé selon l’invention. est un schéma montrant un premier exemple de sous-étapes du traitement thermique du procédé selon l’invention. est un schéma montrant un deuxième exemple de sous-étapes du traitement thermique du procédé selon l’invention. est un schéma montrant un troisième exemple de sous-étapes du traitement thermique du procédé selon l’invention. est un schéma montrant les joints de grains et les précipités de carbures dans un alliage selon l’invention après traitement selon le procédé de traitement de l’une des figures 1 à 8. Alliage à base de nickel exempt de cobalt, comprenant en pourcentage massique : - 14,5 à 21,5 % de chrome ; - 0,8 à 5,1 % de molybdène ; - 1,5 à 2,5 % d’aluminium ; - 3,2 à 4,4 % de titane ; - 0,01 à 0,10 % de carbone ; - 0,003 à 0,02 % de bore ; et - 0,01 à 0,10 % de zirconium. Alliage à base de nickel selon la revendication 1, comprenant en pourcentage massique : - 0,02 à 0,05 % de carbone. Alliage à base de nickel selon la revendication 2, comprenant en pourcentage massique : - 15,4 à 19,5 % de chrome ; - 2,9 à 5,1 % de molybdène ; - 1,65 à 2,45 % d’aluminium ; et - 3,35 à 4,3 % de titane. Alliage à base de nickel selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant 8,0 % massique ou moins de fer. Alliage à base de nickel selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant 6,4 % massique ou moins de tungstène, de préférence étant exempt de tungstène. Alliage à base de nickel selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant 1,0 % massique ou moins de niobium, de préférence 0,15 à 1,0 % de niobium. Procédé de fabrication d’une pièce en un alliage à base de nickel selon l’une des revendications 1 à 6, le procédé comprenant : - la fabrication d’une billette dont la composition est celle de l’alliage à base de nickel ; - la mise en forme de la pièce ; et - le traitement thermique de la pièce. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le traitement thermique de la pièce comprend au moins un traitement parmi : - une mise en solution de type supersolvus γ’, de préférence à une température supérieure de 10 à 40 °C au solvus γ’ ; et - une mise en solution de type subsolvus γ’, de préférence à une température inférieure de 10 à 40 °C au solvus γ’. Procédé selon l’une des revendications 7 à 8, dans lequel le traitement thermique peut comprendre en outre : - un revenu de précipitation des carbures de type M23C6, de préférence par chauffage à une température comprise entre 825 et 870 °C ; et - optionnellement un revenu de stabilisation des populations de précipités γ’, de préférence à une température entre 760 et 825 °C. Pièce aéronautique en un alliage selon l’une des revendications 1 à 6, notamment un carter de turbine.