TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE EN ACIER NITRURE

Domaine technique de l’invention

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d’une pièce en acier nitrurée.

Une application privilégiée se réfère à la réalisation de pièces de turbomachine d’aéronef.

La fabrication de diverses pièces de transmission de puissance est en particulier concernée. Etat de la technique antérieure

La nitruration des aciers faiblement alliés est une solution classique pour nombre des pièces, y compris les pièces de transmission de puissance, en particulier lorsque la température de fonctionnement ne permet pas d’utiliser les aciers cémentés. La solution acier/nitruration a déjà été retenue pour la fabrication de diverses pièces.

Parmi les pièces de transmission de puissance, on peut noter : des engrenages des arbres cannelés des pistes de roulements.

La nitruration génère une couche durcie en surface et typiquement en sous-surface (sur quelques centièmes de mm) de la pièce. Ce procédé génère également une couche de nitrure de fer dite « couche de combinaison » ou encore « couche blanche », généralement supprimée par la suite, à cause de son caractère fragile, ceci étant typiquement suivi d’une étape de grenaillage pour un renforcement mécanique. Une rectification permet généralement de supprimer cette couche de combinaison et d’assurer le dimensionnel final de la pièce.

Parmi les problèmes techniques existants, on peut noter la difficulté qu’il y a à retirer la couche de combinaison par rectification.

Deux causes en sont la dureté élevée de la couche de combinaison (problèmes de faïençage) et l’accessibilité ou le dégagement des outils de fabrication à l’échelle de la pièce.

Résumé de l’invention

Pour chercher une solution à une partie au moins des problèmes précités, il est proposé dans la présente invention un procédé de fabrication d’une pièce en acier, le procédé comprenant une nitruration de la pièce conduisant à la formation d’une couche de combinaison de nitrures de fer (couche de surface, typiquement d’une épaisseur inférieure à 100pm ; couche est composée de nitrures e et y’), avec comme caractéristique importante qu’après la nitruration on réalise un choc laser sur la pièce nitrurée de manière à retirer la couche de combinaison. Ainsi, au lieu, selon la technique antérieure d’enlever la couche de combinaison par rectification, on va utiliser le choc laser qui, en générant une onde de choc, va permettre d’enlever la couche de combinaison qui constitue donc une couche sacrificielle. Par ailleurs l’onde de choc génère des contraintes de compression dans la pièce qui sont bénéfiques.

Pour mener au mieux les opérations, il est conseillé :

- qu’avant la nitruration de la pièce :

-- on fabrique une ébauche de la pièce en acier,

-- on traite thermiquement l’ébauche, et

-- on réalise une semi-finition de l’ébauche, par usinage, pour obtenir une pièce semi- finie sur laquelle on réalise ladite nitruration,

- puis, pour le choc laser, que le laser projette des impulsions avec une puissance (P) 5J < P < 30J, de préférence 10J < P < 30J, et une durée de chaque impulsion comprise entre 1 et 30 nanosecondes, de préférence entre 5 et 30 nanosecondes.

En particulier le laser pourra utilement projeter des impulsions suivant une longueur d’onde (l) telle que 0.5 pm < l < 2 pm.

Egalement utilement, le laser pourra en particulier présenter des densités surfaciques de puissance entre 5 et 30 GW/cm ² , et de préférence entre 2 et 10 GW/cm ² .

Si l’état de surface est suffisant satisfaisant à la fin du choc laser, on peut ne pas faire de grenaillage, sinon on peut procéder à un grenaillage On peut aussi procéder à une tribofinition.

Le choc laser pourra être utilisé de la même manière que dans la technique connue, car il permet typiquement d’enlever une couche sacrificielle, qui est ici la couche de combinaison. Pour préparer l’étape du choc laser, il est proposé, avant la nitruration de la pièce : de fabriquer d’abord une ébauche de la pièce en acier, de traiter thermiquement l’ébauche, et de réaliser une semi-finition de l’ébauche, par usinage, sur laquelle on réalisera alors ladite nitruration.

En particulier dans ce cas, on évitera une étape finale de rectification, qui pourra être remplacée par l’étape de choc laser.

Selon la technique connue, un grenaillage peut être appliqué, après la nitruration et la rectification, pour accroître les niveaux de contraintes résiduelles de compression (origine du renforcement mécanique de surface) en proche surface (profondeur allant de la surface - 0 pm -jusqu’à environ 300pm).

Ainsi, la solution de l’invention, par l’utilisation du choc laser permet de supprimer l’étape de rectification et peut permettre de ne pas réaliser d’étape de grenaillage Avantageusement, le choc laser permettra aussi :

- de renforcer mécaniquement le matériau (acier nitruré) sur des profondeurs plus élevées que les procédés conventionnels (comme précité, tel que le grenaillage), ceci sans dégrader la rugosité de surface, et - d’utiliser la couche de combinaison générée par la nitruration en surface de la pièce comme couche sacrificielle pour le procédé de choc laser. Ceci permettra de s’affranchir des étapes d’application de couches sacrificielles, comme connu antérieurement.

Aussi est-il prévu que le procédé précité avec choc laser sur une pièce nitrurée puisse être dépourvu tant d’étape de rectification de la pièce que d’étape d’application d’au moins une couche sacrificielle sur la pièce nitrurée.

Pour atteindre favorablement au moins une rugosité cible (au moins une, car elle pourrait varier suivant la zone concernée de la pièce), il est proposé, après le choc laser sur la pièce nitrurée, de réaliser une finition de la pièce, pour traiter son état de surface.

Le choc laser sur une pièce nitrurée permettant de favoriser l’accessibilité ou le dégagement des outils de fabrication à l’échelle de la pièce, on pourra souhaiter, pour modifier l'état de surface, y compris les arêtes de pièces à arêtes, que la finition de la pièce comprenne une tribofinition.

Pour favoriser par ailleurs l’efficience de la solution, il est proposé que le choc laser utilise des densités surfaciques de puissance du laser qui varient entre 5 GW/cm ² et 30 GW/cm ² , avec une durée d’impulsion comprise entre 5 ns et 30 ns.

En termes d’application du procédé précité, avec tout ou partie de ses caractéristiques, on pourra en particulier viser que la pièce fabriquée soit l’une parmi une pièce d’aéronautique ou une pièce d’automobile, du type à denture et/ou cannelure, pignonnerie (pignons notamment), piste de roulement, entre autres, afin de lui permettre de résister aux sollicitations mécaniques auxquelles elle est soumise et qui ont la particularité d’être concentrées essentiellement en surface (fatigue flexion, fatigue de contact, fretting, usure, ...).

On notera aussi que le procédé précité, avec tout ou partie de ses caractéristiques, permettra un accès favorisé à des zones confinées, en permettant par exemple de retirer une couche de combinaison là où des méthodes conventionnelles ne le permettent pas. Ceci est dû au fait de la faible sensibilité du choc laser aux angles de traitement (équivalent de 30° à 90°), d’où une capacité à traiter toute surface capable d’être pointée par le laser générant le choc.

En effet, lorsqu’on réalise une opération de choc laser, on dirige le faisceau laser vers la surface à traiter. Le faisceau peut être orienté par rapport à la surface à traiter. Par exemple, si le faisceau arrive perpendiculairement à la surface, l’angle entre la surface et le faisceau est de 90°. C’est qu’on appelle angle de traitement, ou angle de tir. Donc pour un angle de 30°, le faisceau arriverait avec un angle de 30° par rapport à la surface de la zone à traiter.

Brève description des figures

[Fig. 1] représente un exemple schématique d’ébauche de pièce à traiter ;

[Fig. 2] représente un agrandissement de la zone II de la figure 1 (l’échelle de 20pm y est représentée) ; [Fig. 3] représente un exemple schématique de pièce semi-finie issue de ladite ébauche ;

[Fig. 4] représente notamment un agrandissement de la zone IV de la figure 3, lors des impulsions laser ;

[Fig. 5] représente le même agrandissement et schématise l’effet du choc laser, et [Fig. 6] représente une partie agrandie de pièce sans couche de combinaison en surface (l’échelle de 20pm est représentée).

Description détaillée de l’invention

Avant, comme schématisé aux figures 1 et 2, de réaliser, sur la surface 10 à traiter de la pièce 1 concernée, un choc laser, on aura avantageusement : fabriqué une ébauche 3 de la pièce 1 en acier (figure 1), traité thermiquement l’ébauche 3, réalisé une semi-finition de l’ébauche, par usinage, pour obtenir une pièce 5 semi-finie (figure 3) sur laquelle on aura réalisé une nitruration.

Concernant la fabrication de l’ébauche 3 de la pièce 1 en acier, il s’agit de donner la première forme à la pièce concernée. L’ébauche est obtenue par étapes successives d’usinage « grossier », qui permettent d’obtenir la forme générale de la pièce. A ce stade, des surplus de matière (environ 0.5mm des côtes minimales) sont conservés en surface pour la phase ultérieure d’usinage de finition, et qui permet d’atteindre les côtes dimensionnelles finales désirée de la pièce.

Concernant le traitement thermique de l’ébauche 3, il s’agira souvent d’étapes successives, comme par exemple détentionnement thermique, revenu, trempe, passage par le froid (traitement cryogénique).

La nitruration peut, de façon traditionnelle, consister à plonger la pièce 5 semi-finie en alliage ferreux (tel qu’un acier allié de type chrome-aluminium) dans un milieu susceptible de céder de l'azote (autrefois appelé nitre) en surface, à une température comprise entre 300°C et 600°C où l'azote a pu diffuser de la surface vers le cœur de la pièce.

Pour cette nitruration, on peut en particulier traiter la pièce dans un four sous atmosphère azotée. Il s'agit d'un traitement thermochimique de diffusion d'azote seul, réalisé entre 300 et 900°C. La zone nitrurée s'étend sur une profondeur inférieure au millimètre.

Un acier de nitruration (par exemple de type 32CrMoV13) faiblement allié, présentant typiquement une teneur en carbone comprise entre 0,20 % et 0,45 % permettant de conférer au matériau de base ses propriétés mécaniques à coeur après traitement thermique, a pu être choisi.

Les propriétés superficielles de l'acier, telles que la dureté lui ont été conférées par un traitement de nitruration consistant à faire diffuser de l'azote en phase ferritique, ce qui a généré la précipitation de nitrures submicroscopiques à partir d'éléments nitrurigènes comme Cr, V, Mo et Al, présents en solution solide dans l'acier traité.

Concrètement, dans un traitement de nitruration, l'acier a pu être traité à une température de l'ordre de 500°C par de l'ammoniac, lequel s’est décomposé en ammoniac craqué et a réagi simultanément avec le fer de l'acier. L'ammoniac a provoqué la formation de ladite couche superficielle de combinaison constituée donc de nitrures de fer, à partir de laquelle les atomes d'azote ont diffusé en direction du coeur de la pièce pour former la couche de diffusion.

Pour un acier faiblement allié comprenant des éléments nitrurigènes, on a pu observer deux couches après nitruration : la couche de combinaison en surface constituée de nitrures de fer et la couche de diffusion dans laquelle se sont dispersés les précipités de nitrures submicroscopiques à l'origine de l'augmentation de dureté constatée dans la couche nitrurée. La profondeur de la couche totale de nitruration peut varier, selon les conditions de nitruration et les applications visées, entre 0,05 mm et 1 mm.

On peut notamment atteindre :

- une couche de combinaison, en surface, d’une épaisseur inférieure à 100pm, composée de nitrures e et g’, et

- sous la couche de combinaison, une couche de diffusion plus épaisse (de 100 à 1000 pm) ; le niveau de dureté obtenu peut être compris entre 400 et 1300 HV (dureté Vickers) et cette dureté peut être conservée jusqu'à des températures de l'ordre de 500 °C. La couche de diffusion est donc plus dure que la couche de combinaison.

Le document "Microstructure of a Nitrided Steel Previously Decarburized", I. Calliari et al, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol.15, N °6, pages 693-698 (2006.12.01) décrit un tel procédé de nitruration d'un acier faiblement allié.

En pratique, la nitruration pourra toutefois être choisie en fonction des applications industrielles et du besoin fonctionnel, les spécificités fines du choc laser pour retirer la couche de combinaison et renforcer le matériau mécanique en sous-surface étant à déterminer en fonction de la couche de nitruration.

La nitruration de la surface 10 de la pièce 5 semi-finie aura de toute façon, en surface (typiquement sur 2 à 40 pm), généré une couche de combinaison 7 que, dans la technique traditionnelle, on cherche ensuite à supprimer du fait en particulier de son caractère fragile. Pour éviter cela et l’opération de rectification alors typiquement réalisée pour supprimer cette couche de combinaison 7 et permettre ensuite la mise à dimensions finale de la pièce 5 semi- finie, l’invention prévoit donc d’avoir recours à un choc laser.

Cette technique va en effet permettre d’éviter d’avoir à retirer la couche de combinaison 7 par rectification, et donc d’éviter les difficultés techniques qui y sont liées, en particulier les problèmes : de dureté élevée de la couche de combinaison (problèmes de faïençage), d’accessibilité ou de dégagement des outils de rectification qui peuvent être insuffisants, à l’échelle de la pièce.

Le choc laser est un procédé de renforcement mécanique sans contact d’une surface métallique, ici donc la surface 10 en acier nitruré. Il consiste à projeter des impulsions laser vers la surface à traiter (figure 4). La longueur d’onde peut être telle que 0.5 pm < l < 2 pm, avec une puissance 10J < P < 30J et une durée de chaque impulsion comprise entre 1 à 50 ns, de préférence entre 1 à 30 ns, et de préférence et encore entre 5 et 30 nanosecondes.

Les Fluences (densité surfacique de puissance) utilisées pourront varier typiquement entre 1 et 50 GW/cm ² , et de préférence entre 5 à 30 GW/cm ² , et encore de préférence entre 2 et 10 GW/cm ² .

Précisément, on peut utiliser un faisceau laser 8 pulsé, avec typiquement une énergie entre 3 et 30 J, de préférence entre 5 et 30 J, et encore de préférence entre 5 et 10 joules, par exemple 10J avec le Nd :YAG et une durée de 18 nanosecondes, ce faisceau étant projeté sur la surface 10, afin d’y créer des contraintes résiduelles de compression.

La fréquence de tir du laser pourra être entre 10Hz et 200Hz et de préférence entre 20Hz et 100Hz.

Ainsi, notamment avec des impulsions de laser de 1 à 30ns, une énergie de laser de 5 à 30J, et des fréquences de tir entre 20Hz et à 100Hz, on pourra, avec des densités de puissance allant de 5 à 30 GW/cm ² , disposer d’assez d’énergie pour pulvériser la couche de de combinaison 7 sous la forme d’un plasma qui ne générera presque pas d’effets thermique dans la matière environnante, du fait des durées extrêmement courtes. Utiliser de l’eau comme milieu de confinement aidera aussi (voir ci-après).

Du fait du plasma créé, une puissante onde de choc sera générée, qui se propagera dans le matériau et permettra de renforcer mécaniquement le matériau par la même occasion.

La surface de la pièce à traiter peut : soit recevoir directement le faisceau laser, ce qui nécessite alors un enlèvement postérieur de matière sur quelques microns de profondeur (entre 5 et 50 pm typiquement) afin donc de retirer la couche de matière sacrifiée ; il y a en effet des risques de brûlures superficielles de matière, si le matériau est directement exposé au laser, soit être recouverte d’un matériau agissant comme couche sacrificielle et de protection thermique et qui peut être un adhésif en aluminium, en vinyle noir ou en polychlorure de vinyle (PVC) noir ayant une épaisseur de quelques dizaines de micromètres (30 à 130 pm typiquement), et/ou être protégée par une couche de confinement qui est un milieu transparent au laser, capable d’interagir avec l’onde de choc générée par le plasma induit par l’interaction entre le laser et la matière (couche sacrificielle ou matériau cible, en absence de couche sacrificielle). Comme connu, une telle couche ou milieu de confinement 15 maximise l’énergie transmise à la matière, en réfléchissant une partie de l’onde de choc qui se propage en s’éloignant de la matière (voir référence 11 de la figure 5).

Un milieu de confinement 15 typique est celui défini par un écoulement lamellaire d’eau, lequel permet d’obtenir un écoulement continu et d’épaisseur constante, sur la surface de la pièce.

Un tel film ou écoulement lamellaire d’eau pourrait être remplacé par d’un autre type de fluide ayant des propriétés anti-corrosion, du moment que ce fluide soit transparent à la longueur d’onde du laser utilisé.

Quoi qu’il en soit, on pourra donc avoir intérêt, pour le choc laser, à conserver le milieu précité de confinement, 15.

Au contact avec la surface 10, qui présente donc la couche de combinaison 7, un plasma 11 est généré, produisant une onde de choc élastique 13 qui traverse le matériau et induit des contraintes résiduelles de compression 17 (figure 5).

Traversant la couche de confinement 15 transparente (si elle est prévue), les photons du faisceau laser 8 sont absorbés par la couche de combinaison 7 qui agit donc comme couche sacrificielle. Cette absorption ionise et vaporise rapidement le matériau en surface et crée le plasma 11 qui absorbe le reste de l’impulsion laser.

La pression du plasma ainsi formé peut atteindre 100 kBar (1T / cm2) et est confiné par l’inertie de la couche de confinement 15 s’écoulant sur la surface.

Grâce au choc laser généré sur la surface 10 en acier nitruré, on va donc, sans rectification, avoir enlevé la couche de combinaison 7, comme cela est visible figure 6, et avoir renforcé mécaniquement la surface 10.

Cette technique doit permettre de renforcer plus profondément la pièce 1 que les procédés conventionnels : la profondeur e concernée par la compression créée par le choc laser peut atteindre des profondeurs de l’ordre du millimètre, entre 1 et 4mm, par exemple 3mm pour un acier inoxydable 304. En comparaison, avec un grenaillage selon la technique antérieurement la plus souvent utilisée, les profondeurs sont de l'ordre de quelques centaines de micromètres, typiquement entre 100 et 300 pm.

Eviter d’avoir eu à chercher, parfois donc dans des zones peu accessibles, à retirer par un outillage ad-hoc la couche de combinaison 7 est aussi un avantage de l’invention lié à la faible sensibilité du choc laser aux angles de traitement (voir ci-avant les remarques faites sur les angles de traitement du choc laser).

Ainsi, il sera de fait possible de traiter toute surface 10 capable d’être pointée par le faisceau laser 8.

A l’issue d’un tel traitement par le faisceau laser 8, on pourra réaliser une finition de la pièce, pour traiter son état de surface 10, afin d’atteindre (au moins) une rugosité cible, étant précisé qu’il pourrait y avoir des rugosités différentes en différents endroits de la surface 10. L’atteinte de ce but sera favorisée si l’on privilégie une tribofinition, qui permettra, via donc un polissage mécanique ou mécano-chimique, de modifier l'état de surface et les arêtes (surface 10 et ses arêtes d’extrémités, dans l’exemple).

Associer le choc laser et la tribofinition élargira donc le champ d’application de cette solution technique et la qualité de la pièce finie.

La solution de l’invention, avec tout ou partie de ses caractéristiques aura permis : d’assurer une compatibilité des états de surfaces (leur topologie) par rapport au besoin fonctionnel, en particulier pour des pièces difficiles à traiter traditionnellement par rectification, de supprimer (si possible) totalement la couche de combinaison 7, tout en maîtrisant son enlèvement (par le contrôle du faisceau laser 8), de supprimer (lorsqu’appliquée) l’étape de grenaillage, tout en générant des contraintes résiduelles de compression de manière contrôlée de réaliser le choc laser éventuellement sans milieu de confinement, ou à l’aide d’un milieu de confinement non corrosif.