DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne le domaine de la fabrication de pièces en alliage y/y’ 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 y/y’ (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 y’, 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° G 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 maîtrisées 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 apparaît 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 oeuvre 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 y/y’, 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 surcoûts.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un but de l’invention est de proposer une technique de fabrication de pièces en alliage y/y’ 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.

À cet effet, selon un aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en alliage base nickel à microstructure y/y’ dans lequel on met en oeuvre 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, préférentiellement inférieure à 250° C et plus 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 figure 1. 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 peut être de l’Udimet720™.

Dans des modes de mises en oeuvre préférés, l’alliage est du type Rene65 ou AD730®.

Au moins une étape de forgeage d’ébauche ou de finition est mise en oeuvre à une température de chauffage de la pièce égale à la température de solvus y’ de l’alliage moins 80°C (+/- 10°C) ou inférieure, notamment 80°C ou inférieure, la température d’outillage étant supérieure à 700°C, préférentiellement à 750°C et inférieure à 900° C, voire à 850°C. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, la différence avec la température de chauffage de la pièce est alors inférieure à 150°C.

La température de chauffage est peut avantageusement être comprise entre 1000 °C et 1025°C.

Par exemple, la température de chauffage de la pièce est de 1025°C ou inférieure (dans le cas où l’alliage est le Rene65 ou l’AD730® notamment dont les températures de solvus y’ sont respectivement de 1105° C et de 1110° C, la température de solvus y’ de l’Udimet720™ étant quant à elle de 1155°C).

L’invention concerne en outre une pièce de turbomoteur d’aéronef, fabriquée en mettant en oeuvre 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 figure 1 est un cliché de grains éclatés ;

- la figure 2a illustre un disque de turbine réalisé selon un procédé de fabrication conforme à l’état de la technique ;

- la figure 2b illustre un disque de turbine réalisée selon un procédé de fabrication conforme à l’invention ;

- la figure 3 illustre schématiquement un exemple de structure de turboréacteur.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Superalliages base Nickel à microstructure y-y’ L’alliage utilisé pour la fabrication de la pièce est un superalliage base nickel à microstructure y-y’.

Les superalliages base nickel sont classiquement constitués d’une phase y (ou matrice) de type austénitique cubique à face centrée y-Ni, contenant éventuellement des additifs en solution solide de substitution a (Co, Cr, W, Mo, Re), et d’une phase y’ (ou précipités) de type y’-Ni^X, avec X = Àl, Ti ou Ta. La phase y’ possède une structure L12 ordonnée, dérivée de la structure cubique à face centrée, cohérente avec la matrice, c’est-à-dire ayant une maille atomique très proche de celle-ci.

De par son caractère ordonné, la phase y’ présente la propriété remarquable d’avoir une résistance mécanique qui augmente avec la température jusqu’à 800° C environ. La cohérence très forte entre les phases y et y’ confère une tenue mécanique à chaud très élevée des superalliages à base nickel, qui dépend elle-même du ratio y/y’ et de la taille des précipités durcissant.

Le superalliage choisi peut être majoritairement composé de nickel et présenter préférentiellement une fraction massique en chrome, en cobalt, en aluminium, en titane, en molybdène, et notamment préférentiellement entre 15 et 17 % en chrome, entre 8 et 15,5% en cobalt, entre 1 ,5 et 4% en aluminium, entre 3 et 5.2% en titane, entre 2 et 4% en molybdène, entre 2 et 4.2% de Tungstène

Le superalliage peut comprendre également du carbone, du zirconium, du fer, etc....

Typiquement, à titre d’exemple, l’alliage de fabrication peut être de l’ÀD730®, du Rene65.

Un exemple de composition massique est la suivante (ÀD730®) :

• Cr : 15 % à 17 %,

• Co : 8 % à 10 %,

• Mo : 2,5 % à 3,5 %,

• W : 2,3 % à 3,3 %,

• Nb : 0,8 % à 1 ,4 %,

• Ti : 3,2 % à 3,8 %,

• Àl : 2 % à 2,6 %, • B : 0,005 % à 0,025 %,

• Zr : 0,01 % à 0,05 %,

• Fe : 3 % à 5 %

• C : 0,005 % à 0,02 %,

• Mn < 0,5 %,

Un autre exemple de composition massique est encore (Rene65)

• Cr : 15,5 % à 16,5 %,

• Co : 12,5 % à 13,5 %,

• Àl : 1 ,95 % à 2,3 %,

• Ti : 3,55 % à 3,9 %,

• Mo : 3,8 % à 4,2 %,

• W : 3,8 % à 4,2 %,

• Nb : 0,6 % à 0,8 %,

• B : 0,012 % à 0,02 %,

• Zr : 0,03 % à 0,06 %,

• C : 0,005 % à 0,011 %

• Mn < 0,1 %,

• Fe < 1 ,2 %

• Ta : traces (1000ppm max).

D’autres compositions sont bien entendu possibles. L’alliage peut par exemple également être de l’Udimet720 ™ dont la composition est la suivante :

UDIMET 720 Outillage de forgeage à chaud

Différents outillages peuvent être prévus selon les opérations envisagées : écrasement du lopin, matriçage d’ébauche, matriçage finition, etc...

Typiquement, l’outillage est monté sur une presse avec des vitesses de presse comprise entre 0,5 et 20mm/s et des pressions entre 2000 et 60000 T.

Une presse possible est par exemple une presse de forgeage du type à matrices chaudes du type de celle décrite dans la demande de brevet FR2880827.

Un système de chauffage à chaud maintient la température de l’outillage pour que sa surface de contact avec la pièce soit en permanence supérieure à 750° C. Plusieurs systèmes peuvent être prévus à cet effet : chauffage par cannes chauffantes immergées dans l’outillage, chauffage par induction via un système de chauffage périphérique, chauffage par résistances électriques périphériques.

Exemples de forgeage

Les températures de solvus y’ sont les suivantes : Rene65, ou Udimet720™

• Udimet720™ : 1155 °C

• ÀD730® : 1110°C

• Rene65 : 1105° C

Dans le cas d’alliages du type Rene65 et ÀD730®, notamment (mais également dans le cas de Udimet720 ^TM ), les forgeages peuvent intervenir dans les conditions suivantes :

Forgeages ébauche et finition :

• Température de chauffage de la pièce : entre 1000°C et 1040°C

• Température outillage : entre 750°C et 900°C

• Maintien des outillages en température sous presse

De façon préférée, la température de chauffage de la pièce est plus particulièrement comprise entre 1000°C et 1025°C. De façon préférée, la température d’outillage est plus particulièrement comprise entre 800° C et 900° C.

En variante, la température d’outillage est plus particulièrement comprise entre 750°C et 850°C

D’autres forgeages amonts peuvent quant à eux être réalisés dans des conditions différentes :

• Température de chauffage : entre 1040°C et 1060°C

• Température outillage de matriçage : entre 400° C et 650° C Dans le cas d’ébauche laminée, cette opération de laminage est réalisée de façon classique, les étapes de forgeage de finition sont réalisées alors dans les conditions indiquées ci-dessus.

Le procédé de fabrication est par exemple utilisé pour la fabrication d’une pièce de turbomoteur d’aéronef, notamment une pièce de turbine haute pression ou de turbine basse pression, ou encore de compresseur haute pression.

Différents tests ont pu être menés pour la réalisation de différents types de pièces.

Exemple 1

Notamment, une campagne de test a été menée pour la réalisation de couronnes par laminage circulaire d’ébauche, puis matriçage à faible déformation à une température comprise entre 1000°C et 1025°C avec un alliage de type Rene65.

Les couronnes obtenues ne présentent pas de grains éclatés.

Comme l’illustrent les figures 2a et 2b, des différences importantes en termes de formation de criques ont été constatées selon la température de l’outillage à la surface de contact avec la pièce (outillage tas plats chauffés).

Pour une température d’outillage de 650° C (figure 2a), des criques profondes ont pu être constatées (jusqu’à 1 ,5mm) sur une bonne partie de la circonférence. Pour une température d’outillage 750°C ou supérieure (typiquement, 850°C et supérieur), la couronne ne présente pas de crique (figure 2b).

Exemple 2

Des tests ont également été menés sur des pions à échelle réduite chauffés entre 1000°C et 1025°C et forgés en deux opérations à faible déformation, avec des outils chauds à température de surface de contact maintenue entre 800°C et 900°C.

Il a été constaté que les pions ne présentaient pas de grains éclatés et ne présentaient pas non plus de criques.

Turboréacteur

Le turboréacteur 1 à double flux de la figure 3 s'étend selon un axe À-À et comporte une veine d'écoulement d'un flux primaire ou veine primaire 2 comprenant, d'amont en aval dans le sens de circulation du flux de gaz au sein de la turbomachine, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.

Les disques du compresseur basse pression 3 sont par exemple en alliage de titane, tandis que tout ou partie des disques des turbines haute pression et basse pression et des disques des derniers étages du compresseur haute pression peuvent être réalisés selon un procédé de fabrication du type de celui décrit ci-dessus.