EP4025361A1 - Procede de fabrication d'une piece metallique limitant l'apparition de grains recristallises dans ladite piece - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece metallique limitant l'apparition de grains recristallises dans ladite piece

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EP4025361A1
EP4025361A1 EP20786012.3A EP20786012A EP4025361A1 EP 4025361 A1 EP4025361 A1 EP 4025361A1 EP 20786012 A EP20786012 A EP 20786012A EP 4025361 A1 EP4025361 A1 EP 4025361A1
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EP
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metal part
casting
plastic deformation
manufacturing
test
Prior art date
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EP20786012.3A
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EP4025361B1 (fr
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Nicolas Romain Benjamin Leriche
Serge Alain Fargeas
Fabien Corpace
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Safran Aircraft Engines SAS
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Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/046—Use of patterns which are eliminated by the liquid metal in the mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/20—Measures not previously mentioned for influencing the grain structure or texture; Selection of compositions therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D2/00—Arrangement of indicating or measuring devices, e.g. for temperature or viscosity of the fused mass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon

Definitions

  • TITLE PROCESS FOR MANUFACTURING A METAL PART LIMITING THE APPEARANCE OF
  • the present invention relates to the manufacture of metal parts, in particular in the aeronautical field.
  • the invention relates to the limitation of the appearance of recrystallized grains during the manufacture of such a part.
  • alloys are used by directed solidification (growth by directed solidification such as the alloy referenced "DS 200" for the production of low pressure engines) and monocrystalline growth. (example: high pressure vanes of certain turbojets, complex vanes). In this context, such alloys are sensitive to the appearance of recrystallized grains.
  • recrystallized grains unlike solidification grains, are not formed during the raw manufacturing process, but originate from the plastic deformation of the crystalline metal lattice. Plastic deformation can be generated during the differential shrinkage between the metal part, the shell mold and the ceramic core. It can also appear under the effect of a shock, for example during handling or finishing operations.
  • the thermal energy supplied to the monocrystalline parts during a heat treatment (put back into solution at 1300 ° C for 3 hours for the alloy referenced "AM1" and 1240 ° C for 4 hours for the alloy referenced “DS 200") makes previously formed dislocations free to move during plastic deformation, and forms grain boundaries (perimeter of recrystallized grains).
  • the structure of the parts is therefore no longer monocrystalline, which can lead to a degradation of the mechanical strength under high temperature conditions.
  • Modeling software for the casting and solidification of a metal alloy in a mold allows to calculate the stresses and the plastic deformation to which the parts are subjected during the cooling of the alloy. From these values, it is possible to calculate the plastic deformation energy values in an entire part.
  • the object of the present invention is to overcome the needs described above.
  • the subject of the invention is a method of manufacturing a metal part by casting a metal alloy in a mold, in which a chart is determined prior to said casting providing a risk of appearance of recrystallized grains during the casting.
  • the casting / solidification of the metal part, as a function of temperature conditions and plastic deformation energy undergone by said metal part, said abacus being obtained by implementing the following steps: mechanical test, for example tensile test, on a specimen so as to characterize a plastic deformation of said specimen as a function of different values of imposed stresses; heat treatment of said specimen, then macrographic etching to determine the appearance of recrystallized grains in the specimen; and calculation, as a function of the stress values measured during the mechanical test, of the plastic deformation energy in the test piece, the plastic deformation energy being reported as a function of the temperature during the mechanical test, with information relating to the presence of recrystallized grains, so as to constitute the abacus; the casting of the metal alloy in the mold then being carried out so that the conditions of
  • Such a method has the advantage of using the quantity corresponding to the plastic deformation energy, which allows the physical phenomenon of recrystallization to be described precisely. It is thus possible to produce metal parts offering very high mechanical performance at high temperature, and particularly suitable for the aeronautical field.
  • the system according to the invention can also comprise at least one of the following characteristics: the mechanical test on the specimen is a tensile test interrupted before rupture; the mechanical test is carried out at an imposed temperature; the calculation of the plastic strain energy is determined from the total plastic strain undergone by the test piece during the tensile test; the mechanical test is carried out at an imposed strain rate and at an imposed cooling rate; the calculation of the plastic deformation energy is determined from the total plastic deformation undergone by the test piece during the mechanical test, said total plastic deformation being determined from the elastic deformation, and thermal expansion, undergone by the specimen during the mechanical test; the production of an abacus comprises subsequent to the calculation of the plastic deformation energy, a step of verifying said calculation by digital simulation of the mechanical test comprising the following sub-steps o casting test of at least one simplified part having a geometry representative of the geometry of the metal part to be manufactured; o heat treatment of said simplified part, then macrographic etching to determine the presence of recrystallized grains in the simplified part;
  • FIG. 1A illustrates the steps of a method for producing a prediction chart for recrystallized grains implemented in a method for manufacturing a metal part according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 1B illustrates the steps of a method for producing a prediction chart for recrystallized grains implemented in a method for manufacturing a metal part according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a turbine blade specimen used in a process for producing a prediction chart of recrystallized grains according to the invention
  • FIG. 3a FIG. 3A illustrates tensile test curves implemented in a method for producing a prediction chart of recrystallized grains according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 3B illustrates tensile test curves implemented in a method for producing a prediction chart of recrystallized grains according to the second embodiment of the invention
  • FIG. 4A illustrates a prediction chart for recrystallized grains obtained according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 4B illustrates a prediction chart for recrystallized grains obtained according to the second embodiment of the invention.
  • the metal part is preferably made from a superalloy.
  • Superalloys are complex alloys of metallic materials, mainly based on nickel or cobalt, with good mechanical strength at high temperature (above 500 to 550 ° C) and a certain resistance to oxidation. or hot corrosion. They are used for the realization of industrial or marine gas turbines, aeronautical turbomachines ...
  • Alloy AM1 is a nickel-based superalloy advantageously used in the production of turbine blades for aircraft engines. It is a single crystal which has the advantage of being free from fragile areas such as grain boundaries and has a very homogeneous metallurgical structure.
  • step E1 of method P1 mechanical tests aimed at characterizing the mechanical behavior (in particular elastic) of a test specimen, metal parts of standard dimensions, are carried out for different stress values applied to said specimen.
  • the mechanical test is in tension, it being understood that other types of stresses are applicable.
  • the test is interrupted before rupture of the so-called tensile test specimen in this test context.
  • the tensile tests are carried out for different temperatures and for different values of plastic deformation.
  • test temperature is ideally the solidus of the alloy.
  • the tests are carried out on a machine usually used for characterization tests of the alloys in fatigue.
  • a machine usually used for characterization tests of the alloys in fatigue.
  • such a machine makes it possible to carry out tensile tests at temperatures above 1200 ° C.
  • each tensile test specimen can then be subjected to a heat treatment of re-solution which makes it possible to generate (or not) recrystallized grains.
  • each tensile test specimen can be the subject of a macrographic attack, preferably by chemical treatment. Macrographic control subsequently makes it possible to visualize the presence of recrystallized grains in a given metallic test piece.
  • the variable which best represents the recrystallized grain is the plastic strain energy because it takes into account the stress and the plastic strain rate.
  • the raw tension curve C1 allows the computation of the plastic strain energy corresponding to the area of the plastic field C2 by applying the following formula:
  • curves C1 and Cl linked to the determination of the presence of recrystallized grains in a given metal specimen allows the calculation of the plastic deformation energy beyond which the alloy recrystallizes, thus allowing the establishment of an abacus.
  • Such an abacus A1 is shown.
  • the latter makes it possible to determine threshold values of plastic energy for the appearance of recrystallized grains.
  • the chart can be made up of three zones, the extent of which depends on the temperature of the test.
  • An abacus of the plastic deformation energy as a function of temperature makes it possible to specify the recrystallization domain and therefore to establish a level of risk of appearance of recrystallized grains.
  • Each point represents a tensile test.
  • the points in the healthy zone correspond to the healthy test pieces, and the points in the recrystallization zone correspond to the test pieces having recrystallized grains.
  • a first zone can thus indicate a probable risk of crystallization, a second zone indicate an unlikely risk (so-called healthy zone), and a second zone.
  • third zone indicate an uncertain risk. The establishment of an abacus thus makes it possible to predict recrystallization by determining threshold values of plastic energy for the appearance of recrystallized grains rather than plastic deformation only.
  • a simplified part geometry is determined beforehand making it possible to better characterize the risk of the appearance of recrystallized grains.
  • alloy blades for example, of the AM1 or DS 200 or CMSX-4 type, a simplified part shape representative of a real blade shape (mobile or distributor) is determined, such a part is called "Simplified dawn”.
  • These “simplified blades” can undergo, just like the tensile specimens mentioned above, the same heat treatment and chemical attack in order to reveal recrystallization.
  • FIG. 1 there is illustrated such a simplified blade geometry 100.
  • a shape is defined having a platform.
  • the test piece 100 also has an equally rectangular section 103 representing a blade of variable thickness and width.
  • the blade 103 extends in the longitudinal direction between the platform 101 and the heel 102 and has in cross section a curved profile of variable thickness between its leading edge and its trailing edge.
  • the simplified vane has a width between about 5 and 20 mm.
  • the simplified vane has a thickness of about 1 or about 1.5mm.
  • the casting and solidification parameters are for example: the susceptor setpoint temperature (conductive material, for example metal or graphite, used to transfer heat by radiation to another piece of metal or to another non-conductive material); the speed of drawing the shell mold from the hot zone to the cold zone of the furnace for melting the metal alloy; the use (or not) of a thermal insulator around the casting mold, in fact this criterion is important in the sense that the stresses which cause recrystallization in the parts depend on the thermal gradients and on the shape of the solidification front during implementation in the oven. Insulators are a way of controlling these gradients and this edge; and the thickness of the shell mold.
  • the simplified parts then undergo a heat treatment, then a macrographic attack, such as tensile test pieces, to observe the appearance (or absence) of recrystallized grains in said parts.
  • the energy of plastic deformation in the simplified parts during their cooling is also calculated, by the numerical simulation of the casting of these parts (because inaccessible experimentally) to determine the plastic energy values reached on different zones. of the workpiece during cooling.
  • the influence of each casting / solidification parameter on recrystallization having been determined beforehand, it is therefore possible to corroborate the influence of the plastic energy values reached in the different zones of the part during cooling with the presence of the recrystallization phenomenon. in said areas of the room.
  • plastic energy values obtained by simulations are thus reported on the chart and by comparison with the observation of recrystallized grains obtained with the simplified parts, it is possible to validate and / or refine the plastic energy threshold values. of the abacus beyond which the alloy recrystallizes.
  • a digital simulation software used in this context is for example the ProCast software (developed by ESI Group). Second embodiment
  • the method according to P2 comprises, for each alloy in a step E, anisothermal tensile tests, preferably interrupted (before rupture), for different cooling rates and different plastic deformation rates.
  • thermomechanical paths chosen for the tests are established experimentally or by simulation to be as representative as possible of the actual casting process.
  • the test temperature is ideally the solidus of the alloy, preferably greater than 1200 ° C.
  • the fact that the tests start at 1200 ° C. is taken into account in the paths chosen because this temperature is lower than the temperature at the start of deformation of the metal in a real casting.
  • each tensile test specimen is subjected to a re-solution heat treatment which makes it possible to generate (or not) recrystallized grains.
  • the tensile machine makes it possible to obtain the tensile curve C4 (abscissa: tensile stress and ordinate: total strain).
  • the stress applied to the specimen is also measured as a function of temperature, as illustrated by curve C4.
  • aT ref is the value of [Math. 20] a to
  • a T is the value of [Math. 26] a to
  • Abacus A2 With reference to FIG. 4B, an abacus A2 is shown. The latter makes it possible to determine threshold values of plastic energy for the appearance of recrystallized grains.
  • Abacus A2 consists of three zones, the extent of which depends on the temperature during the test.
  • An abacus makes it possible to specify the recrystallization domain and therefore to establish a critical path of risk of appearance of recrystallized grains.
  • Each curve represents a tensile test.
  • the green curves correspond to sound specimens and the red curves correspond to specimens which have recrystallized.
  • the method presented here relates to anisothermal tests where the strain is imposed at the same time as a cooling.
  • This type of test is more representative of a process where deformation takes place during the cooling of the parts.
  • These tests also make it possible to characterize a curve of an abacus (Temperature; Variable studied).
  • a single test thus makes it possible to cover the entire cooling temperature range.
  • the difference between the tests lies in the choice of different thermomechanical paths (cooling speed / strain rate couple).
  • the deformation rate is between approximately 10 6 / s and approximately 10 4 / s (in% deformation), and the cooling rate is approximately 10 ° C / min and approximately 40 ° C / min .
  • the strain rate is approximately 10 5 / s (in% strain), and the cooling rate is approximately 20 ° C./min.
  • the first embodiment is based on isothermal interrupted traction tests. Such tests make it possible to characterize a point of an abacus (Temperature; Variable studied). It is therefore necessary to carry out several tests at a given temperature, for each temperature.
  • the chart established on the basis of anisothermal tests makes it possible to validate (or not) the old chart on the basis of isothermal tests, which is easier to obtain but less representative of the thermomechanics of the process.
  • a difficulty consists in developing thermomechanical paths (cooling speed / deformation speed pair) characteristic of the process, knowing that the test start temperature is lower than the start temperature. deformation in the process.
  • Another difficulty consists in verifying that in the tensile tests the desired cooling rate is reached (by the lamp ovens of fatigue machines).
  • an additional difficulty of the second embodiment P2 consists in being able to extract the plastic deformation from the value of the total deformation obtained experimentally.
  • the thermal contraction of the tensile specimen during the test must be taken into account (not taken into account by the machine). It is also necessary to take into account the fact that the properties of the material (which depend on the temperature, in particular the elastic limit) change during the test (unlike a test at imposed temperature where these properties remain constant).
  • a step E4 as in the first embodiment P1, it is possible to proceed to a step of validation of the abacus previously determined by tests of casting of simplified parts having a significant geometry of the geometry of the part. metallic to manufacture
  • the casting / solidification parameters are also determined, making it possible to better characterize the risk of the appearance of recrystallized grains.
  • the casting and solidification parameters are for example: the susceptor setpoint temperature; the speed of drawing the shell mold from the hot zone to the cold zone of the furnace for melting the metal alloy; the use (or not) of thermal insulation around the casting mold; and the thickness of the shell mold.
  • the simplified parts then undergo heat treatment, followed by macrographic etching, such as tensile specimens, to observe the appearance (or absence) of recrystallized grains in the simplified vane.
  • the energy of plastic deformation in the simplified parts during their cooling is also calculated, by the numerical simulation of the casting of these parts (because inaccessible experimentally) to determine the plastic energy values reached on different zones. of the workpiece during cooling.
  • the influence of each casting / solidification parameter on recrystallization having been determined beforehand, it is therefore possible to corroborate the influence of the plastic energy values reached in the different zones of the part during cooling with the presence of the recrystallization phenomenon. in said areas of the room.
  • This process finds an application in particular in turbines of turbojets, in particular in HP mobile units, HP distributors (single and two-blade), HP rings, mobile units.
  • HP mobile units HP distributors (single and two-blade), HP rings, mobile units.
  • BP1 and moving parts of the other stages, flanges, etc. for example in alloy AM1 or alloy DS 200 or CMSX-4.
  • the casting of the metal alloy in the mold is carried out under casting and solidification conditions determined using the abacus so that the conditions of temperature and plastic deformation energy undergone by said metal part are below a given risk threshold for the appearance of crystallized grains, given by the chart.
  • Such a method has the advantage of using the quantity corresponding to the plastic deformation energy, which allows the physical phenomenon of recrystallization to be described precisely. It is thus possible to produce metal parts offering very high mechanical performance at high temperature, and particularly suitable for the aeronautical field.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique par coulée d'un alliage métallique dans un moule, dans lequel on détermine préalablement à ladite coulée un abaque fournissant un risque d'apparition de grains recristallisés lors de la coulée/solidification de la pièce métallique, en fonction de conditions de température et d'énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique, la coulée de l'alliage métallique dans le moule étant mise en œuvre dans des conditions de coulée et de solidification déterminées à l'aide de l'abaque pour que les conditions de température et d'énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique soient inférieures à un seuil donné de risque d'apparition de grains recristallisés.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE METALLIQUE LIMITANT L’APPARITION DE
GRAINS RECRISTALLISES DANS LADITE PIECE
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne la fabrication de pièces métalliques, notamment dans le domaine aéronautique.
Plus particulièrement, l’invention se rapporte à la limitation de l’apparition de grains recristallisés lors de la fabrication d’une telle pièce.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le contexte de la réalisation de pièces de turbine moulées pour des turboréacteurs, il est mis en œuvre des alliages par solidification dirigée (croissance par solidification dirigée comme l’alliage référencé « DS 200 » pour la réalisation de moteurs basse pression) et croissance monocristalline (exemple : aubages haute pression de certains turboréacteurs, aubes complexes). Dans ce cadre, de tels alliages sont sensibles à l’apparition de grains recristallisés.
Ces grains recristallisés, à la différence des grains de solidification, ne sont pas formés lors du procédé de fabrication brut, mais ont pour origine la déformation plastique du réseau métallique cristallin. La déformation plastique peut être générée lors du retrait différentiel entre la pièce métallique, le moule carapace et le noyau céramique. Elle peut aussi apparaître sous l’effet d’un choc, par exemple lors des manutentions ou des opérations de parachèvement.
L’énergie thermique fournie aux pièces monocristallines lors d’un traitement thermique (remise en solution à 1300°C pendant 3 heures pour l’alliage référencé « AM1 » et 1240°C pendant 4 heures pour l’alliage référencé « DS 200 ») rend libre de se déplacer des dislocations précédemment formées, lors de la déformation plastique, et forme des joints de grains (périmètre des grains recristallisés). La structure des pièces n’est donc plus monocristalline, ce qui peut entraîner une dégradation de la résistance mécanique dans des conditions de haute température.
Des logiciels de modélisation de la coulée et de la solidification d’un alliage métallique dans un moule, permettent de calculer les contraintes et la déformation plastique auxquelles sont soumises les pièces au cours du refroidissement de l’alliage. A partir de ces valeurs, il est possible de calculer les valeurs d’énergie de déformation plastique dans toute une pièce.
Cependant, de tels logiciels ne permettent pas de statuer directement sur l’apparition de grains recristallisés.
Il est également connu dans l’art antérieur les publications « Prédiction of recrystallization in investment cast single-crystal superalloys » (C. Panwisawas et al., Acta Materialia 61 (2013) 51-66) et « Prédiction recrystallisation in single crystal nickel-based superalloys during investment casting » (C. Panwisawas et al., Proceedings of Eurosuperalloys 2014 (2014)). Un but des travaux décrits dans ces publications est d’établir un critère de recristallisation utilisable en simulation numérique et qui est ensuite vérifié par la coulée d’éprouvettes.
Ce critère, basé sur la déformation plastique, est établi par des essais de traction sur des éprouvettes de traction à différentes températures et à différentes déformations plastiques finales. Toutefois, le critère correspondant à la déformation plastique ne permet pas de décrire précisément le phénomène physique de recristallisation (germination de grains recristallisés sur des zones de concentration des dislocations).
De plus, la géométrie retenue dans les travaux de C. Panwisawas est très différente de celle d’une pièce de turbine telle qu’une aube, et s’avère insuffisante pour caractériser le risque d’apparition de grains recristallisés dans une forme d’aube creuse.
Ainsi, dans l’objectif de disposer de pièces mécaniques présentant des performances mécaniques très élevées à haute température, il existe toujours un besoin pour une solution qui permette de maîtriser l’apparition de grains recristallisés durant la fabrication d’une pièce métallique.
EXPOSE DE L’INVENTION
La présente invention a pour but de pallier aux besoins décrits ci-dessus.
Plus précisément, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce métallique par coulée d’un alliage métallique dans un moule, dans lequel on détermine préalablement à ladite coulée un abaque fournissant un risque d’apparition de grains recristallisés lors de la coulée/solidification de la pièce métallique, en fonction de conditions de température et d’énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique, ledit abaque étant obtenu en mettant en œuvre les étapes suivantes : essai mécanique, par exemple de traction, sur une éprouvette de sorte à caractériser une déformation plastique de ladite éprouvette en fonction de différentes valeurs de contraintes imposées; traitement thermique de ladite éprouvette, puis attaque macrographique pour déterminer l’apparition de grains recristallisés dans l’éprouvette; et calcul, en fonction des valeurs de contraintes mesurées lors de l’essai mécanique, de l’énergie de déformation plastique dans l’éprouvette, l’énergie de déformation plastique étant reportée en fonction de la température au cours de l’essai mécanique, avec une information relative à la présence de grains recristallisés, de la sorte à constituer l’abaque ; la coulée de l’alliage métallique dans le moule étant ensuite mise en œuvre pour que les conditions de température et d’énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique à fabriquer soient inférieures à un seuil donné de risque d’apparition de grains recristallisés déterminé selon l’abaque.
Un tel procédé présente l’avantage d’utiliser la grandeur correspondant à l’énergie de déformation plastique, laquelle permet de décrire précisément le phénomène physique de recristallisation. Il est ainsi possible de réaliser des pièces métalliques offrant des performances mécaniques très élevées à haute température, et particulièrement adaptées au domaine aéronautique.
Avantageusement, mais facultativement, le système selon l’invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes : l’essai mécanique sur l’éprouvette est un essai de traction interrompu avant rupture ; l’essai mécanique est réalisé à une température imposée ; le calcul de l’énergie de déformation plastique est déterminé à partir de la déformation plastique totale subit par l’éprouvette au cours de l’essai de traction ; l’essai mécanique est réalisé à une vitesse de déformation imposée et à une vitesse de refroidissement imposée ; le calcul de l’énergie de déformation plastique est déterminé à partir de la déformation plastique totale subie par l’éprouvette au cours de l’essai mécanique, ladite déformation plastique totale étant déterminé à partir de la déformation élastique, et de la dilatation thermique, subies par l’éprouvette au cours de l’essai de mécanique ; la réalisation d’un abaque comporte ultérieurement au calcul de l’énergie de déformation plastique, une étape de vérification dudit calcul par simulation numérique de l’essai mécanique comportant les sous-étapes suivantes o essai de coulée d’au moins une pièce simplifiée ayant une géométrie représentative de la géométrie de la pièce métallique à fabriquer ; o traitement thermique de ladite pièce simplifiée, puis attaque macrographique pour déterminer la présence de grains recristallisés dans la pièce simplifiée ; o simulation numérique de la coulée de la pièce simplifiée et calcul de l’énergie de déformation plastique dans ladite pièce au cours de son refroidissement ; o report des valeurs calculées d’énergie de déformation plastique sur l’abaque et validation de l’abaque si la présence de grains recristallisés dans la pièce simplifiée est cohérente avec le risque d’apparition de grains recristallisés déterminé par l’abaque ; les conditions de coulée et de solidification comportent les paramètres suivants : o une température de consigne de suscepteurs ; o une vitesse de tirage du moule de coulée depuis une zone chaude vers une zone froide d’un four ; et o une utilisation d’un isolant thermique autour du moule de coulée ; ladite pièce métallique est une aube de turbine, et dans lequel la pièce simplifiée comporte une géométrie représentative de la géométrie de l’aube de turbine ; ladite pièce métallique est fabriquée en un alliage AM1 ou DS200 ou CMSX-4.; l’étape de traitement thermique est réalisée à une température supérieure à 1200°C ; et la vitesse de déformation est comprise, en % de déformation, entre environ 106/s et environ 104/s, et/ou la vitesse de refroidissement est comprise entre environ 10°C/mn et environ 40°C/mn.
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 :
[Fig. 1a] la figure 1A illustre les étapes d’un procédé de réalisation d’un abaque de prédiction de grains recristallisés mis en œuvre dans un procédé de fabrication d’une pièce métallique selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 1b] la figure 1B illustre les étapes d’un procédé de réalisation d’un abaque de prédiction de grains recristallisés mis en œuvre dans un procédé de fabrication d’une pièce métallique selon un second mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 2] la figure 2 illustre schématiquement une éprouvette d’aube de turbine mise en œuvre dans un procédé réalisation d’un abaque de prédiction de grains recristallisés selon l’invention ; [Fig. 3a] la figure 3A illustre des courbes d’essais de tractions mises en œuvre dans un procédé réalisation d’un abaque de prédiction de grains recristallisés selon le premier mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 3b] la figure 3B illustre des courbes d’essais de tractions mises en œuvre dans un procédé réalisation d’un abaque de prédiction de grains recristallisés selon le second mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 4a] la figure 4A illustre un abaque de prédiction de grains recristallisés obtenu selon le premier mode de réalisation de l’invention ; et [Fig. 4b] la figure 4B illustre un abaque de prédiction de grains recristallisés obtenu selon le second mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Premier mode de réalisation
En référence à la figure 1A, il est illustré les principales étapes d’un procédé P1 de réalisation d'un abaque de prédiction d’apparition de grains recristallisés, destiné à être mis en œuvre dans un procédé de fabrication d’une pièce métallique. La pièce métallique est préférentiellement réalisée à partir d’un superalliage. Les superalliages sont des alliages complexes de matériaux métalliques, essentiellement à base de nickel ou de cobalt, dotés d’une bonne tenue mécanique à haute température (au-delà de 500 à 550 °C) et d’une certaine résistance à l’oxydation ou à la corrosion à chaud. Ils sont utilisés pour la réalisation de turbines à gaz industrielles ou marines, de turbomachines aéronautiques...
Un tel alliage est par exemple du type AM1. L’alliage AM1 est un superalliage base nickel utilisé avantageusement dans la réalisation d’aubes de turbines de moteurs d’avions. C’est un monocristal qui a l’avantage d’être exempt de zones fragiles que sont les joints de grains et présente une structure métallurgique très homogène.
Dans une étape E1 du procédé P1 , des essais mécaniques visant à caractériser le comportement mécanique (notamment élastique) d’une éprouvette d’essai, des pièces métalliques de dimensions normalisées, sont réalisés pour différentes valeurs de contraintes appliquées sur ladite éprouvette. Préférentiellement, l’essai mécanique est en traction, étant entendu que d’autres types de contraintes sont applicables. Également, préférentiellement l’essai est interrompu avant rupture de l’éprouvette d’essai dite de traction dans ce contexte d’essai.
Les essais de traction sont effectués pour différentes températures et pour différentes valeurs de déformation plastique.
Pour un essai donné, celui-ci est réalisé jusqu’à une déformation imposée et pour une température imposée. La température d’essai est idéalement le solidus de l’alliage.
De façon préférentielle, les essais sont menés sur une machine utilisée de manière habituelle pour des essais de caractérisation des alliages en fatigue. Avantageusement, une telle machine permet de réaliser les essais de traction à des températures supérieures à 1200°C.
Dans une étape E2, postérieure à E1 , chaque éprouvette de traction peut ensuite faire l’objet d’un traitement thermique de remise en solution qui permet de générer (ou pas) des grains recristallisés.
Par la suite, chaque éprouvette de traction peut faire l’objet d’une attaque macrographique, préférentiellement par traitement chimique. Un contrôle macrographique permet subséquemment de visualiser la présence de grains recristallisés dans une éprouvette métallique donnée.
Ainsi, après traitement thermique et attaque macrographique, il est déterminé si les conditions de température (traitement thermique) et d’un critère lié à la déformation plastique ont généré (ou pas) des grains recristallisés. En effet, comme décrit précédemment, le critère correspondant directement à la déformation plastique ne permet pas de décrire précisément le phénomène physique de recristallisation.
La différence de contraction thermique entre le moule carapace et le métal, due à la différence des coefficients de dilatation thermique, entraîne une mise en contrainte du métal à la solidification et lors du refroidissement. Quand la contrainte et la déformation dépasse la limite élastique de l’alliage, celui-ci et susceptible de recristalliser lors d’une activation thermique. Avantageusement, la variable qui représente le mieux le grain recristallisé est l’énergie de déformation plastique car elle prend en compte la contrainte et le taux de déformation plastique.
Ainsi, la mise en évidence de cette apparition de grains recristallisés sur les éprouvettes de traction, associée au critère d’énergie de déformation plastique, permet l’établissement d’un abaque dans une étape E3 décrite ci-après.
En référence à la figure 3A, pour chaque éprouvette de traction à l’issue de l’essai de traction, des courbes C1 de tractions brutes sont obtenues. Ainsi, pour chaque éprouvette, la machine de traction permet d’établir la courbe de traction (avec en abscisse : contrainte de traction et en ordonnée : déformation totale).
A partir de la courbe C1, il est ensuite possible de déduire l’énergie de déformation plastique finale sur l’éprouvette. De la sorte, pour chaque courbe C1, il est déduit une courbe C2 qui représente la déformation plastique (en %) pour un essai donné.
Ensuite, pour [Math. 1] åPij correspondant aux composantes du tenseur de déformation plastique,
[Math. 2] s
Pf U correspondant aux valeurs finales des composantes du tenseur de déformation plastique, [Math. 3] sϋ correspondant aux composantes du tenseur des contraintes subies par le matériau, la courbe de traction de brute C1 permet le calcul de l’énergie de déformation plastique correspondant à l’aire du domaine plastique C2 en appliquant la formule suivante :
[Math. 4]
Alternativement, pour [Math. 5] épi correspondant à la déformation plastique, [Math. 6]
&plF correspondant à la valeur de déformation plastique finale,
[Math. 7] snM correspondant à la contrainte équivalente de von Mises appliquée au matériau, la courbe de traction de brute C1 permet le calcul de l’énergie de déformation plastique correspondant à l’aire du domaine plastique C2 en appliquant la formule suivante :
[Math. 8] .
Avantageusement, l’utilisation de cette formule permet de diminuer la charge de calcul, car la forme générale [Math. 9] nécessite le calcul de 6 intégrales et de leur somme (il y a 6 composantes indépendantes dans les tenseurs) alors que le calcul de [Math. 10] nécessite le calcul d’une seule intégrale.
Il est à noter que dans le cas particulier des essais de traction puisqu’il y a une seule composante des contraintes et déformations imposées, ces deux expressions sont strictement égales.
L’exploitation des courbes C1 et Cl, liée à la détermination de la présence de grains recristallisés dans une éprouvette métallique donnée permet le calcul de l’énergie de déformation plastique au-delà desquelles l’alliage recristallise, permettant ainsi l’établissement d’un abaque.
En référence à la figure 4A, un tel abaque A1 est représenté. Ce dernier permet de déterminer des valeurs seuil d’énergie plastique d’apparition de grains recristallisés. L’abaque peut être constitué de trois zones dont l’étendue de domaine est fonction de la température de l’essai.
Un abaque de l’énergie de déformation plastique en fonction de la température permet de préciser le domaine de recristallisation et donc d’établir un niveau de risque d’apparition de grains recristallisés.
Chaque point représente un essai de traction. Les points dans la zone saine correspondent aux éprouvettes saines, et les points dans la zone de recristallisation correspondent aux éprouvettes présentant des grains recristallisés. Si l’abaque comporte 3 zones, en fonction de la température et de l’énergie de déformation plastique, une première zone peut ainsi indiquer un risque de cristallisation probable, une seconde zone indiquer un risque peu probable (zone dit saine), et une troisième zone indiquer un risque incertain. L’établissement d’un abaque permet ainsi de prédire la recristallisation en déterminant des valeurs seuil d’énergie plastique d’apparition de grains recristallisés plutôt que la déformation plastique uniquement. Par la suite dans une étape E4, il peut être procédé à une étape de validation de l’abaque précédemment déterminé, par des essais de coulée de pièces simplifiées ayant une géométrie significative de la géométrie de la pièce métallique à fabriquer. Avantageusement, il est déterminé préalablement une géométrie de pièces simplifiées permettant de caractériser au mieux le risque d’apparition de grains recristallisés.
Ainsi, pour les aubages en alliage, par exemple, de type AM1 ou DS 200 ou CMSX-4, il est déterminé une forme de pièce simplifiée représentative d’une forme réelle d’aubage (mobile ou distributeur), une telle pièce est dite « aube simplifiée ». Ces « aube simplifiées » peuvent subir, tout comme les éprouvettes de traction mentionnées précédemment, le même traitement thermique et attaque chimique afin de révéler la recristallisation.
En référence à la figure 2, il est illustré une telle géométrie d’aube simplifiée 100. Dans le but de caractériser au mieux le risque de recristallisation dans la zone de la pale 103 sur des aubes mobiles, il est défini une forme présentant une plateforme 101 intérieure et une plateforme extérieure ou talon 102 au voisinage de l'extrémité libre de la pale.
L’éprouvette 100 présente également une section 103 également rectangulaire représentant une pale d’épaisseur et de largeur variable. La pale 103 s'étend en direction longitudinale entre la plateforme 101 et le talon 102 et présente en section transversale un profil incurvé d'épaisseur variable entre son bord d'attaque et son bord de fuite. Préférentiellement, l’aube simplifiée comporte une largeur entre environ 5 et 20 mm Également, l’aube simplifiée comporte une épaisseur d’environ 1 ou environ 1.5mm.
Il est également préalablement procédé aux essais de coulés, à la détermination de paramètres de coulée/solidification de la pièce simplifiée permettant de caractériser au mieux le risque d’apparition de grains recristallisés dans la pièce simplifiée. Les paramètres de coulée et de solidification sont par exemple : la température de consigne de suscepteur (matériau conducteur par exemple en métal ou en graphite, utilisé pour transférer la chaleur par rayonnement à une autre pièce de métal ou à un autre matériau non conducteur) ; la vitesse de tirage du moule carapace depuis la zone chaude vers la zone froide du four de fusion de l’alliage métallique ; l’utilisation (ou pas) d’un isolant thermique autour du moule de coulée, en effet ce critère a une importance dans le sens où les contraintes qui provoquent la recristallisation dans les pièces dépendent des gradients thermiques et de la forme du front de solidification au cours de la mise en œuvre dans le four. Les isolants sont un moyen de contrôler ces gradients et ce front ; et l’épaisseur du moule carapace.
Pour une géométrie de pièces simplifiées figée, il peut donc être procédé à différentes coulées de pièces simplifiées, dans lesquelles les paramètres de coulée/solidification peuvent varier.
Les pièces simplifiées subissent ensuite un traitement thermique, puis une attaque macrographique, comme les éprouvettes de traction, pour observer l’apparition (ou l’absence) de grains recristallisés dans lesdites pièces.
Il est également procédé au calcul de l’énergie de déformation plastique dans les pièces simplifiées au cours de leurs refroidissements, par la simulation numérique de la coulée de ces pièces (car inaccessible expérimentalement) pour déterminer les valeurs d’énergie plastique atteintes sur différentes zones de la pièce lors du refroidissement. L’influence de chaque paramètre de coulée/solidification sur la recristallisation étant préalablement déterminée, il est donc possible de corroborer l’influence des valeurs d’énergie plastique atteintes dans les différentes zones de la pièce lors du refroidissement avec la présence du phénomène de recristallisation dans lesdites zones de la pièce.
Les valeurs d’énergie plastique obtenues par simulations sont ainsi reportées sur l’abaque et par comparaison avec l’observation de grains recristallisés obtenus avec les pièces simplifiées, il peut être procédé à la validation et/ou affinage des valeurs seuil d’énergie plastique de l’abaque au-delà desquelles l’alliage recristallise.
Ainsi, après établissement d’un abaque sur l’énergie plastique critique (au-delà duquel l’alliage recristallise) en fonction de la température, il est possible de vérifier quantitativement que le critère est valide en couplant la coulée d’une pluralité de pièces simplifiées et la simulation numérique de la coulée de ces pièces simplifiées.
Un logiciel de simulation numérique utilisé dans ce contexte est par exemple le logiciel ProCast (développé par ESI Group). Second mode de réalisation
En référence à la figure 1B, il est illustré un second mode de réalisation P2 du procédé selon l’invention mettant en œuvre des essais mécaniques, préférentiellement de traction. A la différence du premier mode de réalisation P1 , le procédé selon P2 comprend pour chaque alliage dans une étape E des essais de traction anisothermes, préférentiellement interrompus (avant rupture), pour différentes vitesses de refroidissement et différentes vitesses de déformation plastique.
Les chemins thermomécaniques choisis pour les essais (couple vitesse de refroidissement/vitesse de déformation) sont établis expérimentalement ou par la simulation pour être le plus représentatif possible du procédé réel de coulée.
Comme dans le premier mode de réalisation P1 , la température d’essai est idéalement le solidus de l’alliage, préférentiellement supérieur à 1200°C.
Les essais ont donc été menés sur une machine utilisée de manière habituelle pour des essais de caractérisation des alliages en fatigue.
Avantageusement, le fait que les essais commencent à 1200°C est pris en compte dans les chemins choisis car cette température est inférieure à la température de début de déformation du métal dans une véritable coulée.
Ensuite, comme dans le premier mode de réalisation P1 , dans une étape E2, chaque éprouvette de traction fait l’objet d’un traitement thermique de remise en solution qui permet de générer (ou pas) des grains recristallisés.
Puis, une attaque et contrôle macrographique permet de visualiser la présence de grains recristallisés.
Après traitement thermique et attaque macrographique, nous savons si les conditions de température et de déformation plastique ont généré (ou pas) des grains recristallisés. La mise en évidence de cette apparition de grains recristallisés va conduire à l’établissement d’un abaque dans une étape E3’.
En référence à la figure 3B, pour chaque éprouvette, la machine de traction permet d’obtenir la courbe de traction C4 (abscisse : contrainte de traction et ordonnée : déformation totale).
Chaque éprouvette représente alors une courbe sur l’abaque :
- en abscisse : la température au cours de l’essai - en ordonnée : l’énergie de déformation plastique cumulée au cours de l’essai
En référence à la figure 3B, il est également illustré le calcul de la part de déformation plastique
[Math. 11] spl de cette déformation totale (C3).
A la différence du 1er mode de réalisation, le calcul de [Math. 12]
‘-'pi prend en compte :
-La part de la contraction thermique de l’éprouvette de traction (qui n’est pas prise en compte par la machine de traction).
- Le fait que les propriétés mécaniques de l’alliage (et donc de l’éprouvette) sont modifiées au cours de l’essai car elles dépendent de la température. Ceci concerne notamment la limite élastique et le module d’élasticité.
En référence à la figure 3B pour chaque éprouvette à l’issue de l’essai de traction anisotherme, la déformation totale de ladite éprouvette est mesurée en fonction de la température, telle qu’illustré par la courbe C3.
La contrainte appliquée à l’éprouvette est également mesurée en fonction de la température, telle qu’illustrée par la courbe C4.
Sachant que la déformation totale est égale à l’addition de la déformation élastique, de la dilatation thermique, et de la déformation plastique [Math. 13]
A partir de la courbe de déformation totale C3, on extrait la déformation plastique C5 par l’équation (
[Math. 14] tôt — ¾ h ^th h ¾>i
) et en connaissant la courbe de contrainte C4. L’expression de la déformation thermique de l’éprouvette de traction lors des essais anisothermes est également donné par la formule suivante :
[Math. 15]
Avec, [Math. 16] a : coefficient de dilatation linéique technique, il dépend de la température.
[Math. 17]
Tref
: température de mesure pour la mesure de [Math. 18] a
(
[Math. 19] aTref est la valeur de [Math. 20] a à
[Math. 21] Tref
)·
[Math. 22] : température de début d’essai.
[Math. 23] T
: température considérée à l’instant [Math. 24] t (
[Math. 25] aT est la valeur de [Math. 26] a à
[Math. 27]
T
)·
Ainsi, connaissant [Math. 28] pi
(courbe C5) et la contrainte (courbe C4), la contrainte est intégrée en fonction de [Math. 29] pl pour obtenir une courbe C6 représentant en fonction de la température, l’énergie de déformation plastique [Math. 30] Epi cumulée par le même type de calcul que dans le 1er mode de réalisation, selon la formule suivante :
[Math. 31] Ainsi, pour chaque éprouvette, il est procédé à exploitation des courbes pour le calcul d’un « chemin thermomécanique » critique au-delà duquel l’alliage recristallise.
En référence à la figure 4B, un abaque A2 est représenté. Ce dernier permet de déterminer des valeurs seuil d’énergie plastique d’apparition de grains recristallisés. L’abaque A2 est constitué de trois zones dont l’étendue de domaine est fonction de la température au cours de l’essai.
A partir de la visualisation des trois zones de l’abaque et de calculs de simulation numérique, nous pouvons déterminer les zones de la pièce qui seront le plus susceptibles de recristalliser.
Un abaque permet de préciser le domaine de recristallisation et donc d’établir un chemin critique de risque d’apparition de grains recristallisés.
Chaque courbe représente un essai de traction. Les courbes vertes correspondent aux éprouvettes saines et les courbes rouges correspondent aux éprouvettes ayant recristallisées.
A la différence du premier mode de réalisation P1 , il est procédé à des essais anisothermes qui représentent ainsi des courbes entières sur un abaque (Energie plastique ;
Température) et non des points comme c’est le cas d’essais isothermes.
La méthode présentée ici concerne des essais anisothermes où la déformation est imposée en même temps qu’un refroidissement. Ce type d’essai est plus représentatif d’un procédé où la déformation a lieu pendant le refroidissement des pièces. Ces essais permettent aussi de caractériser une courbe d’un abaque (Température ; Variable étudiée). Avantageusement, un seul essai permet ainsi de couvrir toute la gamme de température du refroidissement. La différence entre les essais réside dans le choix de chemins thermomécaniques (couple vitesse de refroidissement/vitesse de déformation) différents. De façon préférentielle, la vitesse de déformation est comprise entre environ 106/s et environ 104/s (en % de déformation), et la vitesse de refroidissement est d’environ 10°C/mn et environ 40°C/mn. Préférentiellement, la vitesse de déformation est d’environ 105/s (en % de déformation), et la vitesse de refroidissement est d’environ 20°C/mn. Le premier mode de réalisation est basé sur des essais de tractions interrompus isothermes. De tels essais permettent de caractériser un point d’un abaque (Température ; Variable étudiée). Il faut donc réaliser plusieurs essais à une température donnée, pour chaque température.
Puisqu’il est plus représentatif du procédé, l’abaque établi sur la base des essais anisothermes permet de valider (ou non) l’ancien abaque sur la base des essais isothermes, qui est plus facile à obtenir mais moins représentatif de la thermomécanique du procédé.
En effet, dans le second mode de réalisation P2, une difficulté consiste à mettre au point des chemins thermomécaniques (couple vitesse de refroidissement/vitesse de déformation) caractéristiques du procédé sachant que la température de début d’essai est inférieure à la température de début de déformation dans le procédé.
De plus, une autre difficulté consiste à vérifier que dans les essais de traction la vitesse de refroidissement voulue est atteinte (par les fours à lampe des machines de fatigue).
Enfin, une difficulté supplémentaire du second mode de réalisation P2 consiste à pouvoir extraire la déformation plastique de la valeur de la déformation totale obtenue expérimentalement. Il faut dans ce cas prendre en compte la contraction thermique de l’éprouvette de traction en cours d’essai (non pris en compte par la machine). Il faut également prendre en compte le fait que les propriétés du matériau (qui dépendent de la température, notamment la limite élastique) changent en cours d’essai (contrairement à un essai à température imposée où ces propriétés restent constantes).
Par la suite dans une étape E4, comme dans le premier mode de réalisation P1 , il peut être procédé à une étape de validation de l’abaque précédemment déterminé par des essais de coulée de pièces simplifiées ayant une géométrie significative de la géométrie de la pièce métallique à fabriquer
Ainsi, dans ce second mode de réalisation, il est également procédé à la détermination des paramètres de coulée/solidification permettant de caractériser au mieux le risque d’apparition de grains recristallisés. Les paramètres de coulée et de solidification sont par exemple : la température de consigne de suscepteur; la vitesse de tirage du moule carapace depuis la zone chaude vers la zone froide du four de fusion de l’alliage métallique ; l’utilisation (ou pas) d’un isolant thermique autour du moule de coulée; et l’épaisseur du moule carapace.
Pour une géométrie pièces simplifiées figée, il peut donc être procédé à différentes coulées de pièces simplifiées, dans lesquelles les paramètres de coulée/solidification peuvent varier.
Les pièces simplifiées subissent ensuite un traitement thermique, puis une attaque macrographique, comme les éprouvettes de traction, pour observer l’apparition (ou l’absence) de grains recristallisés dans l’aube simplifiée.
Il est également procédé au calcul de l’énergie de déformation plastique dans les pièces simplifiées au cours de leurs refroidissements, par la simulation numérique de la coulée de ces pièces (car inaccessible expérimentalement) pour déterminer les valeurs d’énergie plastique atteintes sur différentes zones de la pièce lors du refroidissement. L’influence de chaque paramètre de coulée/solidification sur la recristallisation étant préalablement déterminée, il est donc possible de corroborer l’influence des valeurs d’énergie plastique atteintes dans les différentes zones de la pièce lors du refroidissement avec la présence du phénomène de recristallisation dans lesdites zones de la pièce.
Les valeurs obtenues par simulations sont ainsi reportées sur l’abaque et par comparaison avec l’observation de grains recristallisés obtenus, il peut être procédé à la confirmation et/ou affinage des valeurs seuil d’énergie plastique de l’abaque au-delà desquelles l’alliage recristallise.
Ainsi, après établissement d’un abaque A2 sur la déformation plastique critique en fonction de la température, il est possible de vérifier quantitativement que le critère est valide en couplant la coulée de grappes d’éprouvettes et la simulation numérique de ces éprouvettes.
Le procédé décrit ci-avant dans ces différents modes de réalisation, permet donc de caractériser avec précision l’éventualité de l’apparition des grains recristallisés en fonction des valeurs d’énergie plastique atteintes sur les différentes zones de la pièce lors du refroidissement.
Ce procédé trouve notamment une application dans les turbines des turboréacteurs, notamment dans des mobiles HP, distributeurs HP (mono et bi-pales), anneaux HP, mobiles BP1 et mobiles des autres étages, brides, etc., par exemple an alliage AM1 ou en alliage DS 200 ou CMSX-4.
Par la suite, pour la mise en œuvre d’aubes réelles, la coulée de l’alliage métallique dans le moule est mise en œuvre dans des conditions de coulée et de solidification déterminées à l’aide de l’abaque pour que les conditions de température et d’énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique soient inférieures à un seuil donné de risque d’apparition de grains cristallisés, donné par l’abaque.
Un tel procédé présente l’avantage d’utiliser la grandeur correspondant à l’énergie de déformation plastique, laquelle permet de décrire précisément le phénomène physique de recristallisation. Il est ainsi possible de réaliser des pièces métalliques offrant des performances mécaniques très élevées à haute température, et particulièrement adaptées au domaine aéronautique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une pièce métallique par coulée d’un alliage métallique dans un moule, dans lequel on détermine préalablement à ladite coulée un abaque (A1, A2) fournissant un risque d’apparition de grains recristallisés lors de la coulée/solidification de la pièce métallique, en fonction de conditions de température et d’énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique, ledit abaque étant obtenu en mettant en œuvre les étapes suivantes :
- (E1, E1 ’) essai mécanique sur une éprouvette (100) de sorte à caractériser une déformation plastique de ladite éprouvette (100) en fonction de différentes valeurs de contraintes imposées ;
- (E2) traitement thermique de ladite éprouvette (100), puis attaque macrographique pour déterminer l’apparition de grains recristallisés dans l’éprouvette (100) ; et
- (E3, E3’) calcul, en fonction des valeurs de contraintes mesurées lors de l’essai mécanique, de l’énergie de déformation plastique dans l’éprouvette (100), l’énergie de déformation plastique étant reportée en fonction de la température au cours de l’essai mécanique, avec une information relative à la présence de grains recristallisés, de sorte à constituer l’abaque ; la coulée de l’alliage métallique dans le moule étant ensuite mise en œuvre pour que les conditions de température et d’énergie plastique de déformation subies par ladite pièce métallique à fabriquer soient inférieures à un seuil donné de risque d’apparition de grains recristallisés déterminé selon l’abaque (A1, A2).
2. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon la revendication 1 dans lequel l’essai mécanique sur l’éprouvette (100) est un essai de traction interrompu avant rupture.
3. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’essai mécanique est réalisé à une température imposée.
4. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon la revendication 3 dans lequel le calcul de l’énergie de déformation plastique est déterminé à partir de la déformation plastique totale subit par l’éprouvette au cours de l’essai de traction.
5. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon la revendication 1 dans lequel l’essai mécanique est réalisé à une vitesse de déformation imposée et à une vitesse de refroidissement imposée.
6. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon la revendication précédente dans lequel le calcul de l’énergie de déformation plastique est déterminé à partir de la déformation plastique totale subie par l’éprouvette au cours de l’essai mécanique, ladite déformation plastique totale étant déterminé à partir de la déformation élastique, et de la dilatation thermique, subies par l’éprouvette au cours de l’essai de mécanique.
7. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel la réalisation d’un abaque (A1, A2) comporte ultérieurement au calcul de l’énergie de déformation plastique (E3, E3’), une étape de vérification (E4) dudit calcul par simulation numérique de l’essai mécanique comportant les sous-étapes suivantes :
- essai de coulée d’au moins une pièce simplifiée ayant une géométrie représentative de la géométrie de la pièce métallique à fabriquer ;
- traitement thermique de ladite pièce simplifiée, puis attaque macrographique pour déterminer la présence de grains recristallisés dans la pièce simplifiée ;
- simulation numérique de la coulée de la pièce simplifiée et calcul de l’énergie de déformation plastique dans ladite pièce au cours de son refroidissement ;
- report des valeurs calculées d’énergie de déformation plastique sur l’abaque et validation de l’abaque si la présence de grains recristallisés dans la pièce simplifiée est cohérente avec le risque d’apparition de grains recristallisés déterminé par l’abaque.
8. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel les conditions de coulée et de solidification comportent les paramètres suivants :
- une température de consigne de suscepteurs ;
- une vitesse de tirage du moule de coulée depuis une zone chaude vers une zone froide d’un four ; et
- une utilisation d’un isolant thermique autour du moule de coulée.
9. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications 7 à 8 dans lequel ladite pièce métallique est une aube de turbine, et dans lequel la pièce simplifiée (100) comporte une géométrie représentative de la géométrie de l’aube de turbine.
10. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel ladite pièce métallique est fabriquée en un alliage AM1 , DS200 ou
CMSX-4.
11. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape de traitement thermique (E2) est réalisée à une température supérieure à 1200°C.
12. Procédé de fabrication d'une pièce métallique selon l’une des revendications précédentes dans lequel la vitesse de déformation est comprise, en % de déformation, entre environ 106/s et environ 104/s, et/ou la vitesse de refroidissement est comprise entre environ 10°C/mn et environ 40°C/mn.
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