Titre de l'invention : PROCEDE DE FORGEAGE D'UNE PIECE EN ACIER MARAGING

Domaine Technique

L'invention concerne le domaine de préparation de pièces métalliques pour l'industrie aéronautique et plus précisément les procédés de forgeage pour des aciers de très haute résistance.

Technique antérieure

Les aciers de très haute résistance de type maraging sont particulièrement utilisés pour des pièces dimensionnées en fatigue, par exemple dans les turbomachines, et notamment pour les arbres de compresseur et de turbine. L'amélioration de la tenue en fatigue de ces aciers représente un gain potentiel considérable pour la durée de vie de pièces élaborées à partir de ces aciers.

De manière classique, les pièces en aciers maraging sont élaborées à partir de lingots, eux même obtenus par des procédés de refusion à l'arc sous vide, ou par fusion induction sous vide. Il est toutefois observé que les procédés de forgeage classiques permettant de transformer le lingot en une pièce souhaitée peuvent causer l'apparition de zones qui ne sont pas totalement recristallisées, ce qui présente un impact défavorable sur la ductilité des aciers. De plus, il est observé pour ces aciers une dispersion importante des résultats lors de sollicitation en traction. Il est souhaitable de disposer d'un procédé de fabrication permettant d'éviter les zones non-recristallisées pour augmenter l'allongement à la rupture des aciers, et également de diminuer la dispersion des résultats autour des valeurs moyennes car les valeurs minimales sont généralement utilisées dans les certifications des aciers.

Exposé de l'invention

Pour répondre à ce besoin, les inventeurs proposent un procédé de forgeage d'une pièce à partir d'un lingot d'acier maraging caractérisé en ce qu'il comprend trois étapes : - une première étape de forgeage du lingot réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s ¹ jusqu'à une déformation supérieure ou égale à 1 à une température comprise entre 1150°C et 1250°C ; suivie

- d'une deuxième étape de forgeage réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s ¹ jusqu'à une déformation inférieure ou égale à 2, réalisée à une température inférieure à la première étape ; suivie

- d'une troisième étape de forgeage réalisée à une vitesse rationnelle de déformation supérieure ou égale à 1 s ¹ et jusqu'à une déformation comprise entre 0,5 et 2.

Les inventeurs ont en effet identifié que la conjugaison des trois étapes de forgeage proposées permet de diminuer les zones non recristallisées observées dans les pièces obtenues par des procédés de l'art antérieur. Notamment, la première étape diffère considérablement des conditions observées dans les procédés de forgeage de l'art antérieur, réalisés habituellement par une étape d'étirage à la machine à forger quatre marteaux, ou d'une étape de laminage. En effet, une telle étape est réalisée à une vitesse de déformation plus lente que celles obtenues par les procédés classiques pré-cités, et jusqu'à une déformation supérieure à ce qui est habituellement envisagé.

Au sens de l'invention, un acier maraging est un acier possédant une importante résistance et dureté, tout en gardant une bonne ductilité, au sens habituel des termes « d'acier maraging » dans le domaine des aciers. L'adjectif « Maraging » est un mot valise né de la contraction en langue anglaise de « martensitic ageing », c'est-à-dire maturation de la martensite, en relation avec le procédé de préparation de ces aciers.

De plus, le domaine de température choisit pour la première étape permet de dépasser le solvus des précipités nitrure et carbure susceptibles de bloquer le déplacement des joints de grains et ainsi de permettre une meilleure recristallisation du matériau, tout en évitant une surchauffe au niveau des joints de grains. Ces conditions de température sont optimales pour obtenir la recristallisation de l'acier au cours du procédé de forgeage du lingot. Dans un mode de réalisation, la déformation obtenue après la première étape est comprise entre 1,0 et 2,5, préférentiellement entre 1,0 et 2,0.

Au sens de l'invention, la déformation E obtenue au cours d'une étape de procédé correspond au logarithme népérien du rapport entre la surface de la section transverse de la pièce obtenue après déformation et la surface de la section transverse de la pièce initiale. En d'autres termes, la déformation s peut être mesurée par la formule suivante :

E = In (Sfin/Sinit) où Sinit est la surface de la section transverse de la pièce avant la déformation et Sfi _n la surface de la section transverse de la pièce après déformation.

Dans un mode de réalisation, la deuxième étape est réalisée à une température comprise entre 900°C et 1100°C, voire 900°C et 1050°C.

Dans un mode de réalisation, la déformation obtenue après la deuxième étape est comprise entre 1,0 et 1,5.

Dans un mode de réalisation, la troisième étape est réalisée à une température comprise entre 900°C et 1050°C, voire entre 900°C et 1000°C.

Dans un mode de réalisation, la déformation obtenue après la troisième étape est comprise entre 0,8 et 1,5, voire entre 0,8 et 1,2, ou encore entre 1,0 et 1,2.

Dans un mode de réalisation, la première étape est réalisée dans une presse hydraulique.

Dans un mode de réalisation, la deuxième étape est réalisée dans une presse hydraulique.

Dans un mode de réalisation, la première et la deuxième étape sont réalisées dans une presse hydraulique.

En d'autres termes, dans un mode de réalisation, la première étape et/ou la deuxième étape peuvent être réalisées dans une presse hydraulique.

Dans un mode de réalisation, la troisième étape est réalisée dans une machine à forger de type 4 marteaux ou dans un laminoir. Dans un mode de réalisation, l'acier du lingot comprend, en pourcentages massiques:

- une teneur en carbone comprise entre 0,0 % et 0,30 % ;

- une teneur en cobalt comprise entre 5,0 % et 8,5 % ;

- une teneur en chrome comprise entre 0,0 % et 5,0 % ;

- une teneur en aluminium compris entre 0,0 % et 2,0 % ;

- une teneur en molybdène comprise entre 1,0 % et 5,5 % ;

- une teneur en nickel comprise entre 10,5 % et 19,0 % ;

- éventuellement du vanadium en une teneur inférieure ou égale à 0,30 % ;

- éventuellement du niobium en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;

- éventuellement du bore en une teneur inférieure ou égale à 60 ppm ;

- éventuellement du silicium en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;

- éventuellement du manganèse en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;

- éventuellement du calcium en une teneur inférieure ou égale à 600 ppm ;

- éventuellement des terres rares en une teneur inférieure ou égale à 500 ppm ;

- éventuellement du titane en une teneur inférieure ou égale à 0,50 % ;

- éventuellement de l'oxygène en une teneur inférieure ou égale à 50 ppm ;

- éventuellement de l'azote en une teneur inférieure ou égale à 100 ppm ;

- éventuellement du soufre en une teneur inférieure ou égale à 50 ppm ;

- éventuellement du cuivre en une teneur inférieure ou égale à 1,0 % ;

- éventuellement du phosphore en une teneur inférieure ou égale à 500 ppm ;

- éventuellement de l'hydrogène en une teneur inférieure ou égale à 5 ppm ;

- éventuellement du zirconium en une teneur inférieure ou égale à 400 ppm ; le reste étant du fer et des impuretés inévitables.

Dans des modes de réalisations particuliers, les lingots d'acier maraging peuvent être choisi parmi les alliages de dénomination commerciale Maraging 250 ou ML 340, dont les compositions sont décrites respectivement dans les documents EP3156151 et FR 2885142 par exemple dont le contenu est introduit ici par référence. Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne la préparation d'un arbre de compresseur ou d'un arbre de turbine en acier maraging pour une turbomachine, comprenant une étape de forgeage d'un lingot tel que décrite ci-dessus.

Brève description des dessins

[Fig. 1] La figure 1 donne une représentation comparée de la dispersion obtenue pour des essais réalisés avec des éprouvettes de caractérisation en acier maraging obtenues soit avec un procédé de forgeage de l'invention soit avec un procédé de l'art antérieur.

[Fig. 2] La figure 2 est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d'un échantillon d'acier maraging forgé selon un procédé de l'art antérieur.

[Fig. 3] La figure 3 est une micrographie obtenue par microscopie électronique à balayage d'un échantillon d'acier maraging forgé selon un procédé de l'invention.

[Fig. 4] La figure 4 est une micrographie obtenue par microscopie électronique d'un échantillon d'acier maraging forgé selon un procédé de l'art antérieur.

[Fig. 5] La figure 5 est une micrographie obtenue par microscopie électronique d'un échantillon d'acier maraging forgé selon un procédé de l'invention.

Description des modes de réalisation

L'invention est à présent décrite au moyen de figures qui concernent uniquement certains modes de réalisation de l'invention et ne doivent pas être interprétées de manière limitative.

Un procédé de l'invention comprend, comme décrit ci-dessus, trois étapes :

- une première étape de forgeage du lingot réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s ¹ jusqu'à une déformation supérieure ou égale à 1,0 à une température comprise entre 1150°C et 1250°C ; suivie

- d'une deuxième étape de forgeage réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s ¹ jusqu'à une déformation inférieure ou égale à 2, réalisée à une température inférieure à la première étape ; suivie - d'une troisième étape de forgeage réalisée à une vitesse rationnelle de déformation supérieure ou égale à 1 s ¹ et jusqu'à une déformation comprise entre 0,5 et 2.

Par exemple la première étape et/ou la deuxième étape peuvent être réalisées dans une presse, par exemple une presse hydraulique.

La troisième étape peut quant à elle être réalisée à une vitesse rationnelle de déformation plus importante que la première et semblable à ce qui est observé dans les procédés de l'art antérieur. Par exemple, la troisième étape peut être réalisée avec une machine à forger quatre marteaux ou un laminoir.

La conjugaison des trois étapes d'un procédé décrit ci-dessus permet d'augmenter la recristallisation d'un acier au cours de son procédé de forgeage, et ainsi d'augmenter ses caractéristiques mécaniques, notamment en termes d'allongement à la rupture.

Les paramètres de forgeage de chacune des trois étapes contribuent à l'augmentation de la valeur moyenne de tenue en fatigue d'un acier forgé selon un procédé de l'invention, et permettent également d'obtenir un acier dont les propriétés mécaniques sont, entre deux échantillons différents, moins dispersées autour des valeurs moyennes qu'un acier de l'art antérieur. Cela présente un intérêt industriel important car les valeurs de certification tiennent compte des dispersions autour des valeurs moyennes.

La figure 1 représente des résultats expérimentaux obtenus avec des éprouvettes de caractérisation en acier maraging sollicitées en traction. Les essais de traction ont été réalisés à 20°C. La courbe 3 est obtenue avec des éprouvettes de l'art antérieur, tandis que la courbe 4 avec des éprouvettes obtenues par le procédé de forgeage décrit ci-dessus.

La figure 1 présente pour ces deux ensembles d'éprouvettes, le nombre de résultats 1 en fonction de l'allongement à la rupture observé 2.

Sont également reportées sur la figure 1 les valeurs moyennes Mi et M ₂ des résultats obtenues pour les distributions 3 et respectivement 4, ainsi que les écarts types des distributions +/-3oi pour la distribution 3 et +/-3o ₂ pour la distribution 4 obtenus par des tests de tractions des éprouvettes des deux distributions. La figure 1 montre que la dispersion des valeurs, en particulier -3Ü2 pour les éprouvettes obtenues selon le procédé de forgeage décrit est moins importante que la dispersion pour les éprouvettes de l'art antérieure -3oi.

Les figures 2 et 3 présentent des observations en microscopie à balayage des électrons rétrodiffusés (MEB/EBSD) permettent de constater ou non la présence de grains non recristallisés sur des pièces forgées en acier maraging selon des procédés de forgeage différents.

Les zones sombres allongées sur la figure 2 témoignent de la présence de grains allongés non recristallisés 101 lorsque la pièce est forgée par un procédé de l'art antérieur.

L'absence de zones allongées sur la figure 3 et la disparité d'orientation des grains témoignent d'une microstructure totalement recristallisée et équiaxe obtenue lorsque la pièce en acier maraging est forgée selon un procédé de l'invention.

De manière analogue, les figures 4 et 5 présentent des micrographies obtenues par microscopie électronique respectivement pour une pièce obtenue par un procédé différent de celui décrit (figure 4) et par un procédé conforme à celui décrit (figure 5).

La figure 4 montre des grains allongés non recristallisés, non souhaités de manière industrielle, tandis que la figure 5 témoigne d'une microstructure équiaxe totalement recristallisée obtenue grâce au procédé de l'invention.