FR2557146A1 - Traitement thermique avant compression isostatique a chaud de pieces moulees en superalliage - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN TRAITEMENT THERMIQUE AVANT COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD DE PIECES MOULEES EN SUPERALLIAGE. SELON CE TRAITEMENT UN ARTICLE EN SUPERALLIAGE COMPRENANT DES PHASES SUBISSANT UNE FUSION COMMENCANTE A UNE TEMPERATURE INFERIEURE MAIS PROCHE DE LA TEMPERATURE DE COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD EST SOUMIS A UN TRAITEMENT THERMIQUE A UNE TEMPERATURE PROCHE MAIS INFERIEURE A LA TEMPERATURE PREVUE POUR LA COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD PENDANT UNE PERIODE DE TEMPS SUFFISANTE POUR AUGMENTER LA TEMPERATURE DE FUSION COMMENCANTE, DE SORTE QU'UNE FUSION ET UN EMPRISONNEMENT DE GAZ NUISIBLES SERONT SIGNIFICATIVEMENT REDUITS PENDANT LE CYCLE DE TRAITEMENT DE COMPRESSION ISOSTATIQUE A CHAUD. LA PRESENTE INVENTION EST PAR EXEMPLE UTILISABLE POUR FABRIQUER DES ALLIAGES EMPLOYES DANS UN MOTEUR A TURBINE A GAZ.
Description
La présente invention concerne un traitement thermique qui peut être
appliqué à certainespièces moulées en superalliage pour éliminer la fusion et améliorer les résultats des traitements de compression
isostatique à chaud (HIP) appliqués ultérieurement.
Les superalliages sont des matières, habituellement à base de nickel ou de cobalt, qui ont des propriétés utiles à des températures de l'ordre de 538 C et au-dessus et trouvent des applications dans les moteurs à turbine à gaz. Les superalliages conservent leur résistance mécanique à des températures très proches de leur température de fusion. A cause de cette résistance mécanique extrême élevée aux hautes températures, les superalliages sont difficiles à forger et sont souvent utilisés sous forme moulée. La technique de moulage permet également de produire de façon économique des formes complexes qui exigent un minimum d'usinage ultérieur. Cependant les propriétés des pièces moulées
sont limitées par leur porosité qui se produit invariable-
ment pendant le moulage. La porosité est nuisible aux propriétés mécanique et, en particulier, peutréduire les propriétés aux températures élevées te1sqdae la durée de vie jusqu'à rupture sous contrainte de traction et
la fatigue oligocyclique.
Les superalliages complexes ont également parfois tendance à former des phases à faible point de fusion
sous certaines conditions.
Les techniques connues sous le nom de compression isostatique à chaud (HIP) ont été développées pour réduire la porosité dans les articles moulés. Dans le procédé de compression isostatique à chaud, les articles moulés sont disposés dans une chambre et chauffés jusqu'à température élevée alors que la chambre est simultanément
remplie d'un gaz inerte sous haute pression.
Pour de nombreux superalliages les conditions - 2 - typiques du procédé de compression isostatique à chaud sont une pression de gaz à environ 103, 4 MPa et une température d'environ 1093 C - 1204 C. La température élevée rend la matière relativement douce et ductile et la pression de gaz élevée force les vides internes
à se boucher. En même temps il se produit une homogénéisa-
tion augmentant davantage les propriétés de l'article.
Parce que les superalliages maintiennent leur résistance aux températures extrêmement élevée, la compression isostatique à chaud des superalliages est souvent mise en oeuvre à une température à moins de 55 C de leur
température normale de fusion commençante.
Récemment, en un effort pour réduire la dépense et le poids des moteurs à turbine à gaz,on a testé des pièces moulées de superalliages complexes de grande dimension pour remplacer les parties complexes maintenant produitespmrforgeage. Un alliage particulièrement utilepour certaines applications est connu sous le nom de Inconel 718 (désignation commerciale) (composition
nominale de Ni-19Cr-18Fe-5,2Nb-3Mo-0,9Ti-0,6 A1-0,05C).
Après avoir résolu de nombreux problèmes se rapportant aux pièces moulées et après avoir produit des pièces moulées apparemment utilisables (mais comportant
une porosité), on a soumis les pièces moulées au traite-
ment de compression isostatique à chaud habituel dans le but de réduire la porosité et la ségrégation. Après le
traitement de compression isostatique à chaud des tenta-
tives ont été faites pour souder des pièces moulées répa-
rées. Des difficultés ont été rencontrées lors du soudage de matières ayant subi une compression isostatique à chaud en ce que des éclaboussuressubstantielles de soudure ont été remarquées ensemble avec une porosité anormale dans la soudure. On a également observé qu'une certaine porosité interne n'a pas été éliminée dans certaines zones de la pièce moulée. Après une recherche détaillée on a trouvé que les difficultés rencontrées étaient la
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-3- de 1' conséquence/eprisonneertdu milieu HIP de haute pression (gaz argon) dans des pores reliés à la surface soit directement soit par l'intermédiaire des limites de grains.L'emprisonnementdc gaz apparemment s'était produit lorsqu'une fusion locale de l'article se produisait à la température HIP. Le gaz qui avait diffusé A l'intérieur de l'article par l'intermédiaire de la porosité reliée à la surface ou des limites de grains
a été piégé par resolidification de la matière fondue.
On a trouvéque cet emprisonnementdugazseproduisait aux endroits de la pièce moulée associés à de faibles vitesses de refroidissement dans le procédé de moulage et que le noeud du problème était la présence de phases de Laves à faible point de fusion dans les zones de la
pièce moulée ayant subi un refroidissementlent.
La présente invention résulte de la découverte de ce problème et du développement d'une solution qui
sera décrite ultérieurement.
Les brevets US Nos. 2 798 827, 3 753 790 et 3 783 032 décrivent la mise en oeuvre de traitement-thermiques à des températures inférieures mais proches de la température de fusion commençante durant des périodes de temps suffisantes pour permettre une homogénéisation partielle des zones à bas point de fusion dans les articles de superalliages, en particulier, des pales de turbine laquelle fusion commençante gêne le traitement thermique adéquat. Aucun de ces brevets
ne se réfère explicitement aux phases de Laves rencon-
trées dans l'alliage Inconel 718 (désignation commerciale) gaz et ie ne se réfrEtpas au problèmede lmprisonnemEntdedans
un traitement HIP des pièces moulées à base de nickel.
La présente invention concerne le traitement de pièces moulées en superalliage pour éliminer sensiblement les
phases à bas point de fusion afin d'augmenter la tempéra-
ture de fusion commençante de l'alliage de sorte que l'alliage puisse supporter un traitement HIP sans subir - 4 - une fusion commençante significative et cet alliage
ainsi n'aura pas de quantités nuisibles de gaz piégé.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le traitement thermique est mis en oeuvre avant le traitement HIP (compression isostatique à chaud) et ce traitement HIP comporte l'exposition à des températures proches mais inférieures à la température de fusion commençante pendant une période de temps suffisante pour augmenter la température de fusion commençante jusqu'à une température au-dessus de celle qui sera employée dans le procédé HIP. Des traitements à températures par étapes peuvent être mis en oeuvre
de sorte que lorsque la température de fusion commençan-
te de l'article augmente, la température de traitement thermique augmente également pour réduire le temps
nécessaire pour obtenir le résultat souhaité. Le trai-
tement thermique peut être mis en oeuvre avant le procédé
HIP ou peut former une partie de la séquence du traite-
ment HIP et peut être mis en oeuvre dans l'appareil
HIP avec ou sans application de pression de gaz.
Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à soumettre l'article à un traitement thermique dans un milieu non oxydant sans application de pression HIP sous des conditions qui provoquent la fusion des phases à bas point de fusion étant donné que les vitesses de diffusion seront sensiblement augmentées et le temps
requis pour obtenir le résultat souhaité sera sensible-
ment réduit.
Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une microphotographie d'une matière en alliage Inconel 718 à l'état moulé; la figure 2 est une microphotographie de la matière d'Inconel 718 moulé après exposition à 11900C, lesfigures 3 et 4 sont des photographies de matière d'Inconel 718 moulées avec traitement HIP à 1190 C; et 5 7 a 4 -5- la figure 5 est une microphotographie de la matière d'Inconel 718 moulée ayant subi le traitement selon
l'invention et ensuite un traitement HIP à 1190 C.
La présente invention sera décrite en rapport avec son application à l'alliage Inconel 718 qui est largement utilisé pour la production de pièces moulées complexes à utiliser à des températures intermédiaires. Cependant,
ces spécialistes en la matière comprendront que l'inven-
tion peut aisément être adaptée pour être appliquée à d'autres alliages en utilisant les connaissances
habituelles des spécialistes à la matière.
L'alliage Inconel 718 a une composition nominale de 53 Ni-19Cr-18Fe- 5.2 Nb-3Mo-0,9 Ti-0,6A1-0,05C et peut subir un traitement HIP à environ 11900C durant
environ 4 heures avec pression d'argon appliquée d'en-
viron 103,4 MPa. La température HIP est choisie pour être celle à laquelle la résistance à l'écoulement de l'alliage est suffisamment faible pour permettre de supprimer la porosité avec une pression isostatique de 103,4 MPa. D'autres circonstances (différents alliages, pression de gaz etc) nécessiteront des températures HIP différentes. Ces spécialistes en la
matière seront aisément capables de môdifier les condi-
tions du traitement HIP selon les nécessités.
Dans la matière d'Inconel 718, la formation de phase de Laves de la formule générale (Fe, Cr, Mn, Si)2 (Mo, Ti, Nb) est observée lorsque la vitesse de
solidification est inférieure à environ 55 C/min.
Les fractions en volume de phase Laves sont inversement proportionnelles à la solidification comme il est montré dans le tableau I. En conséquence, dans la matière d'Inconel 718 moulée, on trouve les phases de Laves dans les zones o des sections épaisses de pièces moulées ont subi une vitesse de refroidissement lente. Les phases de Laves (Inconel 718) fondent dans un intervalle
de température approximatif de 1149OC-1177oC, c'est-à-
-6- dire environ 14 C - 42 C inférieur à la température requise pour un traitement de compression isostatique
à chaud convenable pour la matière.
Tableau I Vitesse de solidification Pourcents en volume de phase Laves > 55 C/min < 1 17 C/min 5 5 5 C/min 7 L'invention comprend un traitement thermique de la matière pour homogénéiser sensiblement les phases à bas point de fusion pour soit les éliminer soit augmenter
leur température de fusion jusqu'à une température supérieu-
re à environ 11909C (la température prévue pour le traite-
ment HIP). Onccrprendra que, bien qu'une homogénéisation totale et/ou une augmentation de la température de fusion commençante jusqu'à environ la température du traitement HIP sontpréferées ceci peut ne pas être nécessaire dans tous les cas. En particulier, il peut être déterminé qu'une certaine quantité (c'est-à-dire inférieures 1%) de fusion commençante peut être tolérée. Dans un tel cas, le procédé selon l'invention peut être modifié pour obtenir ce résultat acceptable (bien que moins parfait). Le tableau II présente un certain nombre de traitementsthermiques qui ont été testés.Ces traitements thermiques ont été
appliqués à une pièce moulée d'Inconel 718 contenant envi-
ron 7 pourcents en volume de phase de Laves. Les traitements A et B homogénéisaient entièrement la structure et aucune soit fusion ne se produisait pendant le traitement thermique
soit pendant le traitement HIP ultérieur (à 1190 C).
Les traitementsC et D n'ont pas homogénéisé entièrement la structure bien que la quantité de fusion qui s'est produite pendant le traitement HIP ultérieur à 1190 C a été réduite jusqu'à un point epêchant l'emprisonnemnt des gaz
ou réduisant celui-ci jusqu'à un niveau non détectable.
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-7- Les traitements E et F provoquaient une certaine fusion commençante pendant le traitement et éliminaient ou sensiblement réduisaient la fusion pendant le traitement HIP ultérieur jusqu' à un point empêchantl'emrisonnement du gaz.
Tableau II
Traitement thermique avant compression isostatique à chaud d'Inconel 718 moulé pour éliminer ou réduire la fusion commençante Traitement A 1149 C (24 heures) Traitement B 1133 C (8 heures) + 11490 C ( 16 heures) Traitement C 1149 0 C ( 8 heures) Traitement D 1149 C (16 heures) Traitement E 1149 0C ( 2 heures) + 1163 C ( 2 heures) +1177 C ( 2-heures) Traitement F 11330 C (2 heures) + 1149 C ( 2 heures) +1163 C ( 2 heures) + 1175 C (2 heures) Etant donné que la quantité de ségrégation à bas point de fusion varie pour différentes formes de pièces moulées du faite des différences dans les vitesses de solidification, le traitement spécifique requis pour éliminer ou réduire significativement la quantité de fusion commençante pendant le traitement HIP ultérieur variera également selon la forme de la pièce moulée et la composition chimique exacte. Les traitements A et B semblent être efficaces pour des pièces
moulées présentant le degré de ségrégation le plus important.
Les traitements C et D seraient efficaces pour ces pièces
moulées o le degré de ségrégation est moindre. Les traite-
ments E et F montrent des traitements o la température est progressivement augmentée pendant le traitement. Ceci est possible grace à la diminutiondes phasesde Laves et/ou l'augmentation des températures de fusion commençante résultant de la diffusion. Pour ces traitements qui résultent en une fusion commençante pendant le traitement, le traitement 8 - ne doit pas être mis en oeuvre dans l'appareil HIP (sous des conditions de pression supérieure à la pression
atmosphérique)siun prisonnement gaz peut en résulter.
Divers aspects de la microstructure avec les procédés selon l'invention (et procédés n'appartenant pas à l'invention) sont montrés dans les figures. La figure 1 montre la microstructure de Inconel 718 à l'état tel que coulé. Les zones discontinues dans la figure sont des phases de Laves à bas point de fusion. La figure 2 est une microphotographie de la matière de la figure 1 après une exposition à 1190 C qui est une température dans l'intervalle habituelle de température de traitement HIP pour l'alliage Inconel 718. Une fusion substantielle s'est produite et les propriétés de la matière ne seraient pas satisfaisantes à cause de cette fusion. Les figures
3 et 4 montrent des détails de microstructure de la matiè-
re d'Inconel 718 après un traitement HIP à 1190 C.
Dans la figure 3 une certaine porosité associée à une fusion locale peut être vue; cette porosité montre
que le but souhaité du procédé HIP n'a pas été atteint.
La figure 4 montre des zones qui ont fondu pendant le
cycle HIP, des matièrescontenant de telles caractéristi-
ques ne seraient pas acceptables pour être utilisées dans un moteur à turbine. La figure 5 est une microphotographie d'une matière traitée selon la présente invention. (1133 C/
8 heures plus 1149 C/ 16 heures) et traitement HIP ulté-
rieur à 1133 C. Aucune trace de fusion n'est présente
et aucune porosité n'est visible.
Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs
sans sortir du cadre de l'invention.
- 9 -
Claims (3)
1. Procédé pour améliorer la réaction à un traitement de compression isostatique à chaud (sous des conditions particulières de température de ce traitement de compression isostatique à chaud), en réduisant l'emprisonnement des gaz d'une matière de superalliage contenant des phases qui subissent une fusion commençante à une température proche mais inférieure à la température du traitement de compression isostatique à chaud caractérisé en ce qu'il comprend: soumettre la matière à un traitement thermique
jusqu'à une température proche mais inférieure à la tempéra-
ture prévue de traitement HIP pendant une période de temps suffisante pour augmenter la température de fusion commençante, de sorte qu'une fusion nuisible et un Emnprisomnement de gaz nuisible seront réduits significativement pendant le cycle de traitement de compression isostatique à chaud.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est progressivement augmentée pendant le traitement.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de fusion commençante est augmentée jusqu'à une température supérieure à la température prévue
pour le traitement de compression isostatique à chaud.
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