WO2022064122A1 - Procede de forgeage d'une piece en acier maraging - Google Patents

Procede de forgeage d'une piece en acier maraging Download PDF

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Maxime Eric VINCENT
Laurent Ferrer
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Safran Aircraft Engines
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    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working
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    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/12—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing tungsten, tantalum, molybdenum, vanadium, or niobium

Definitions

  • the invention relates to the field of preparation of metal parts for the aeronautical industry and more specifically to forging processes for very high-strength steels.
  • Very high resistance steels of the Maraging type are particularly used for dimensioned fatigue parts, for example in turbomachines, and in particular for compressor and turbine shafts. Improving the fatigue resistance of these steels represents a considerable potential gain for the service life of parts made from these steels.
  • Maraging steel parts are made from ingots, themselves obtained by vacuum arc remelting processes, or by vacuum induction melting.
  • the conventional forging processes allowing the ingot to be transformed into a desired part can cause the appearance of decohesions which can become sites for crack initiation, and cause premature wear of the metal part during a cyclic stress in particular.
  • the inventors propose a process for forging a part from a maraging steel ingot characterized in that it comprises two steps: - a first step of forging the ingot carried out at a rational deformation rate of less than 1 s 1 until a deformation greater than or equal to 1; followed
  • a second forging step carried out at a rational strain rate greater than or equal to 1 s 1 and up to a strain of between 0.5 and 2.
  • the inventors have in fact identified that the combination of the two proposed forging steps makes it possible to reduce the debonding observed with the methods of the prior art.
  • the first step differs considerably from the conditions observed in the forging processes of the prior art, carried out in the prior art by a drawing step using a four-hammer forging machine, or by a rolling step.
  • the first step of the process is carried out at a much lower strain rate than those obtained by the aforementioned conventional processes.
  • Such a method makes it possible to increase the average value of the fatigue strength of the parts forged by a method of the invention.
  • the inventors have observed that there are no forces induced leading to compressive stresses between the mid-radius and the periphery of the ingot and tensile forces towards the core of the ingot. ingot which are observed in the methods of the prior art.
  • a maraging steel is a steel having high strength and hardness, while maintaining good ductility, in the usual sense of the terms “maraging steel” in the field of steels.
  • the adjective “Maraging” is a portmanteau word born from the contraction in English of “martensitic aging”, that is to say maturing of martensite, in relation to the process of preparation of these steels.
  • the temperature of the second stage is lower than that of the first stage.
  • the first forging step is carried out at a temperature between 1000°C and 1250°C.
  • the strain obtained after the first step is between 1.0 and 2.5, preferably between 1.0 and 2.0.
  • the deformation E obtained during a process step corresponds to the natural logarithm of the ratio between the surface of the cross section of the part obtained after deformation and the surface of the cross section of the initial part.
  • the strain s can be measured by the following formula:
  • the second step is carried out at a temperature between 900°C and 1050°C.
  • the deformation obtained after the second step is between 0.8 and 1.2.
  • the first step is performed in a hydraulic press.
  • the second step is carried out in a 4-hammer type forging machine or in a rolling mill.
  • the steel of the ingot comprises, in mass percentages:
  • niobium in a content less than or equal to 0.10%
  • the maraging steel ingots can be chosen from alloys with the trade name Maraging 250 or ML 340, the compositions of which are described respectively in the documents EP3156151 and FR 2885142, for example, the content of which is incorporated here by reference.
  • the invention relates to the preparation of a compressor shaft or a turbine shaft in maraging steel for a turbomachine, comprising a step of forging an ingot as described above.
  • Figure 1 gives a comparative representation of the breaking stress as a function of the number of fatigue cycles for maraging steel characterization specimens obtained either with a forging process of the invention or with a process of the art prior.
  • FIG. 2 represents a simulation in finite elements of the internal stresses observed within a part forged from an ingot according to a method of the prior art.
  • FIG. 3 represents finite element simulations of internal stresses observed within a forged part according to one embodiment.
  • a method of the invention comprises, as described above, two steps:
  • a second forging step carried out at a rational strain rate greater than or equal to 1 s 1 and up to a strain of between 0.5 and 2.
  • the first step can be carried out in a press, for example a hydraulic press.
  • the second step can itself be carried out at a higher rational deformation rate than the first and similar to what is observed in the methods of the prior art.
  • the second step can be done with a four-hammer forging machine or a rolling mill.
  • Figure 1 includes cyclic fatigue test results for parts obtained according to one embodiment in which the imposed deformation C max is between 0.72% and 0.80%, with a frequency of stress cycles between 0 .25 Hz and 2 Hz and at a temperature between 20°C and 200°C.
  • Figure 1 also shows the envelopes presenting the statistical distribution of the tests around the curves 15 and 25. These envelopes are respectively represented by the curves 14 and 16 on the one hand and 24 and 26 on the other hand.
  • the envelopes correspond to the average curve increased or decreased by three times the statistical difference o determined from the distribution of the experimental results around average curves 15 and 25, noted +/-3oi around curve 15 and +/-3o 2 around curve 25.
  • FIG. 1, and in particular the comparison of curves 15 and 25, illustrates the strength gain permitted by a forging method of the invention compared to a forging method of the prior art.
  • Figure 2 shows the results of a finite element simulation of the internal stresses obtained during a prior art maraging steel forging process.
  • FIG. 3 represents the results of an equivalent simulation for a part obtained by a method of the invention.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce à partir lingot d'acier maraging caractérisé en ce qu'il comprend deux étapes : - une première étape de forgeage du lingot réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s-1 jusqu'à une déformation supérieure ou égale à 1; suivie - d'une deuxième étape de forgeage à une vitesse rationnelle de déformation supérieure ou égale à 1 s-1 et jusqu'à une déformation comprise entre 0,5 et 2.

Description

Description
Titre de l'invention : PROCEDE DE FORGEAGE D'UNE PIECE EN ACIER MARAGING
Domaine Technique
L'invention concerne le domaine de préparation de pièces métalliques pour l'industrie aéronautique et plus précisément les procédés de forgeage pour des aciers de très haute résistance.
Technique antérieure
Les aciers de très haute résistance de type Maraging sont particulièrement utilisés pour des pièces dimensionnées en fatigue, par exemple dans les turbomachines, et notamment pour les arbres de compresseur et de turbine. L'amélioration de la tenue en fatigue de ces aciers représente un gain potentiel considérable pour la durée de vie de pièces élaborées à partir de ces aciers.
De manière classique, les pièces en aciers Maraging sont élaborées à partir de lingots, eux même obtenus par des procédés de refusion à l'arc sous vide, ou par fusion induction sous vide. Il est toutefois observé que les procédés de forgeage classiques permettant de transformer le lingot en une pièce souhaitée peuvent causer l'apparition de décohésions qui peuvent devenir des sites d'amorçage de fissures, et causer une usure prématurée de la pièce métallique lors d'une sollicitation cyclique notamment.
Pour obtenir des aciers encore plus résistants, il est nécessaire de parvenir à un procédé de forgeage qui permette de diminuer l'apparition de décohésions dans la pièce finale.
Exposé de l'invention
Pour répondre à ce besoin, les inventeurs proposent un procédé de forgeage d'une pièce à partir d'un lingot d'acier maraging caractérisé en ce qu'il comprend deux étapes : - une première étape de forgeage du lingot réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s 1 jusqu'à une déformation supérieure ou égale à 1 ; suivie
- d'une deuxième étape de forgeage réalisée à une vitesse rationnelle de déformation supérieure ou égale à 1 s 1 et jusqu'à une déformation comprise entre 0,5 et 2.
Les inventeurs ont en effet identifié que la conjugaison des deux étapes de forgeage proposées permet de diminuer les décohésions observées avec les procédés de l'art antérieur. Notamment, la première étape diffère considérablement des conditions observées dans les procédés de forgeage de l'art antérieur, réalisés dans l'art antérieur par une étape d'étirage à la machine à forger quatre marteaux, ou par une étape de laminage. En effet, la première étape du procédé est réalisée à une vitesse de déformation bien plus faible que celles obtenues par les procédés classiques précités.
Un tel procédé permet d'augmenter la valeur moyenne de tenue en fatigue des pièces forgées par un procédé de l'invention. En particulier, dans ces conditions de forgeage, les inventeurs ont constaté qu'il n'y a pas d'efforts induits conduisant à des contraintes de compression entre le mi-rayon et la périphérie du lingot et des efforts de traction vers le cœur du lingot qui sont observés dans les procédés de l'art antérieur.
Au sens de l'invention, un acier maraging est un acier possédant une importante résistance et dureté, tout en gardant une bonne ductilité, au sens habituel des termes « d'acier maraging » dans le domaine des aciers. L'adjectif « Maraging » est un mot valise né de la contraction en langue anglaise de « martensitic ageing », c'est-à-dire maturation de la martensite, en relation avec le procédé de préparation de ces aciers.
Dans un mode de réalisation, la température de la deuxième étape est inférieure à celle de la première étape.
Dans un mode de réalisation, la première étape de forgeage est réalisée à une température comprise entre 1000°C et 1250°C. Dans un mode de réalisation, la déformation obtenue après la première étape est comprise entre 1,0 et 2,5, préférentiellement entre 1,0 et 2,0.
Au sens de l'invention, la déformation E obtenue au cours d'une étape de procédé correspond au logarithme népérien du rapport entre la surface de la section transverse de la pièce obtenue après déformation et la surface de la section transverse de la pièce initiale. En d'autres termes, la déformation s peut être mesurée par la formule suivante :
E = In (Sfin/Sinit) où Sinit est la surface de la section transverse de la pièce avant la déformation et Sfin la surface de la section transverse de la pièce après déformation.
Dans un mode de réalisation, la deuxième étape est réalisée à une température comprise entre 900°C et 1050°C.
Dans un mode de réalisation, la déformation obtenue après la deuxième étape est comprise entre 0,8 et 1,2.
Dans un mode de réalisation, la première étape est réalisée dans une presse hydraulique.
Dans un mode de réalisation, la deuxième étape est réalisée dans une machine à forger de type 4 marteaux ou dans un laminoir.
Dans un mode de réalisation, l'acier du lingot comprend, en pourcentages massiques:
- une teneur en carbone comprise entre 0,0 % et 0,30 % ;
- une teneur en cobalt comprise entre 5,0 % et 8,5 % ;
- une teneur en chrome comprise entre 0,0 % et 5,0 % ;
- une teneur en aluminium compris entre 0,0 % et 2,0 % ;
- une teneur en molybdène comprise entre 1,0 % et 5,5 % ;
- une teneur en nickel comprise entre 10,5 % et 19,0 % ;
- éventuellement du vanadium en une teneur inférieure ou égale à 0,30 % ;
- éventuellement du niobium en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;
- éventuellement du bore en une teneur inférieure ou égale à 60 ppm ; - éventuellement du silicium en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;
- éventuellement du manganèse en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;
- éventuellement du calcium en une teneur inférieure ou égale à 600 ppm ;
- éventuellement des terres rares en une teneur inférieure ou égale à 500 ppm ;
- éventuellement du titane en une teneur inférieure ou égale à 0,50 % ;
- éventuellement de l'oxygène en une teneur inférieure ou égale à 50 ppm ;
- éventuellement de l'azote en une teneur inférieure ou égale à 100 ppm ;
- éventuellement du soufre en une teneur inférieure ou égale à 50 ppm ;
- éventuellement du cuivre en une teneur inférieure ou égale à 1,0 % ;
- éventuellement du phosphore en une teneur inférieure ou égale à 500 ppm ;
- éventuellement de l'hydrogène en une teneur inférieure ou égale à 5 ppm ;
- éventuellement du zirconium en une teneur inférieure ou égale à 400 ppm ; le reste étant du fer et des impuretés inévitables.
Dans des modes de réalisations particuliers, les lingots d'acier maraging peuvent être choisi parmi les alliages de dénomination commerciale Maraging 250 ou ML 340, dont les compositions sont décrites respectivement dans les documents EP3156151 et FR 2885142 par exemple dont le contenu est ici incorporé par référence.
Selon un autre de ses aspects, l'invention concerne la préparation d'un arbre de compresseur ou d'un arbre de turbine en acier maraging pour une turbomachine, comprenant une étape de forgeage d'un lingot tel que décrite ci-dessus.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 donne une représentation comparée de la contrainte à la rupture en fonction du nombre de cycles de fatigue pour des éprouvettes de caractérisation en acier maraging obtenues soit avec un procédé de forgeage de l'invention soit avec un procédé de l'art antérieur.
[Fig. 2] La figure 2 représente une simulation en éléments finis des contraintes internes observées au sein d'une pièce forgée à partir d'un lingot selon un procédé de l'art antérieur. [Fig. 3] La figure 3 représente des simulations en éléments finis de contraintes internes observées au sein d'une pièce forgée selon un mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
L'invention est à présent décrite au moyen de figures qui concernent uniquement certains modes de réalisation de l'invention et ne doivent pas être interprétées de manière limitative de cette dernière.
Un procédé de l'invention comprend, comme décrit ci-dessus deux étapes :
- une première étape de forgeage du lingot réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s 1 jusqu'à une déformation supérieure ou égale à 1 ; suivie
- d'une deuxième étape de forgeage réalisée à une vitesse rationnelle de déformation supérieure ou égale à 1 s 1 et jusqu'à une déformation comprise entre 0,5 et 2.
Par exemple la première étape peut être réalisée dans une presse, par exemple une presse hydraulique.
La seconde étape peut quant à elle être réalisée à une vitesse rationnelle de déformation plus importante que la première et semblable à ce qui est observée dans les procédés de l'art antérieur. Par exemple, la deuxième étape peut être réalisée avec une machine à forger quatre marteaux ou un laminoir.
La conjugaison des deux étapes d'un procédé décrit ci-dessus permet de réduire les dimensions des décohésions observées sur des pièces forgées obtenues par des procédés de l'art antérieur.
Les paramètres de fabrication de chacune des deux étapes contribuent à l'augmentation de la valeur moyenne de tenue en fatigue d'un acier préparé selon l'invention, et permettent également d'obtenir un acier dont les propriétés mécaniques sont, entre deux échantillons différents, moins dispersées autour des valeurs moyennes qu'un acier de l'art antérieur. Cela présente un intérêt industriel important car les valeurs de certification tiennent compte des dispersions autour des valeurs moyennes. La figure 1 représente des résultats expérimentaux de tests de fatigue cyclique, c'est-à-dire le nombre de cycles N qu'il a fallu pour rompre une éprouvette de caractérisation en acier en la soumettant une contrainte cyclique oscillant périodiquement entre deux valeurs de contraintes une valeur minimale et une valeur maximale Cmax- La figure 1 illustre la contrainte maximale qu'il a fallu imposer pour rompre des éprouvettes de caractérisation d'acier maraging préparées selon l'art antérieur, figurés par la courbe 15, et des éprouvettes de caractérisations fabriquées par le procédé de l'invention, figurés par la courbe 25.
La figure 1 comprend des résultats de test de fatigue cyclique pour des pièces obtenues selon un mode de réalisation auxquelles la déformation imposée Cmax est comprise entre 0,72 % et 0,80 %, avec une fréquence des cycles de contrainte comprise entre 0,25 Hz et 2 Hz et à une température comprise entre 20°C et 200°C.
Sur la figure 1 sont également représentées les enveloppes présentant la répartition statistique des essais autours des courbes 15 et 25. Ces enveloppes sont respectivement figurées par les courbes 14 et 16 d'une part et 24 et 26 d'autre part.
Les enveloppes correspondent à la courbe moyenne augmentée ou diminuée de trois fois l'écart statistique o déterminé à partir de la distribution des résultats expérimentaux autour des courbes moyennes 15 et 25, noté +/-3oi autour de la courbe 15 et +/-3o2 autour de la courbe 25.
La figure 1, et en particulier la comparaison des courbes 15 et 25 illustre le gain de résistance permis par un procédé de forgeage de l'invention comparativement à un procédé de forgeage de l'art antérieur.
La figure 2 représente les résultats d'une simulation par éléments finis des contraintes internes obtenues lors d'un procédé de forgeage d'acier maraging de l'art antérieur.
La figure 3 représente les résultats d'une simulation équivalente pour une pièce obtenue par un procédé de l'invention.
Sur la figure 2, respectivement la figure 3, les cellules de contrainte comprises entre -400 MPa et -100 MPa sont numérotées 23, respectivement 33, celles de contrainte comprises entre -100 MPa et -40 MPa sont numérotées 22, respectivement 32, les zones de contrainte comprises -40 MPa et 200 MPa sont numérotées 21, respectivement 31.
Comme le montre la comparaison des figures 2 et 3, les écarts de contraintes internes sont beaucoup moins marqués dans le cas d'un procédé selon l'invention que dans le cas d'un procédé de forgeage de l'art antérieur.
Ces faibles écarts de contraintes permettent d'éviter l'apparition de décohésions entre les différents grains de l'éprouvette, et ainsi explique l'augmentation de la tenue en fatigue des éprouvettes en acier réalisées par un procédé selon l'invention.

Claims

8 Revendications
[Revendication 1] Procédé de forgeage d'une pièce à partir d'un lingot d'acier maraging caractérisé en ce qu'il comprend deux étapes :
- une première étape de forgeage du lingot réalisée à une vitesse rationnelle de déformation inférieure à 1 s 1 jusqu'à une déformation supérieure ou égale à 1 ; suivie
- d'une deuxième étape de forgeage à une vitesse rationnelle de déformation supérieure ou égale à 1 s 1 et jusqu'à une déformation comprise entre 0,5 et 2.
[Revendication 2] Procédé de forgeage selon la revendication 1 dans lequel la température de la deuxième étape est inférieure à celle de la première étape.
[Revendication 3] Procédé de forgeage selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la première étape est réalisée à une température comprise entre 1000°C et 1250°C.
[Revendication 4] Procédé de forgeage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la déformation obtenue après la première étape est comprise entre 1 et 2,5.
[Revendication 5] Procédé de forgeage selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième étape est réalisée à une température comprise entre 900°C et 1050°C.
[Revendication 6] Procédé de forgeage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la déformation obtenue après la deuxième étape est comprise entre 0,8 et 1,2.
[Revendication 7] Procédé de forgeage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la première étape est réalisée dans une presse hydraulique.
[Revendication 8] Procédé de forgeage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la deuxième étape est réalisée dans une machine à forger de type 4 marteaux ou dans un laminoir.
[Revendication 9] Procédé de forgeage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel l'acier du lingot comprend, en pourcentages massiques:
- une teneur en carbone comprise entre 0,0 % et 0,30 % ;
- une teneur en cobalt comprise entre 5,0 % et 8,5 % ;
- une teneur en chrome comprise entre 0,0 % et 5,0 % ;
- une teneur en aluminium compris entre 0,0 % et 2,0 % ; 9
- une teneur en molybdène comprise entre 1,0 % et 5,5 % ;
- une teneur en nickel comprise entre 10,5 % et 19,0 % ;
- éventuellement du vanadium en une teneur inférieure ou égale à 0,30 % ;
- éventuellement du niobium en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ; - éventuellement du bore en une teneur inférieure ou égale à 60 ppm ;
- éventuellement du silicium en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;
- éventuellement du manganèse en une teneur inférieure ou égale à 0,10 % ;
- éventuellement du calcium en une teneur inférieure ou égale à 600 ppm ;
- éventuellement des terres rares en une teneur inférieure ou égale à 500 ppm ; - éventuellement du titane en une teneur inférieure ou égale à 0,50 % ;
- éventuellement de l'oxygène en une teneur inférieure ou égale à 50 ppm ;
- éventuellement de l'azote en une teneur inférieure ou égale à 100 ppm ;
- éventuellement du soufre en une teneur inférieure ou égale à 50 ppm ;
- éventuellement du cuivre en une teneur inférieure ou égale à 1,0 % ; - éventuellement du phosphore en une teneur inférieure ou égale à 500 ppm ;
- éventuellement de l'hydrogène en une teneur inférieure ou égale à 5 ppm ;
- éventuellement du zirconium en une teneur inférieure ou égale à 400 ppm.
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