WO2022064124A1 - 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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    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/10—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing cobalt

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 for transforming the ingot into a desired part do not always make it possible to eliminate all the porosities (shrinkage) resulting from the remelting of the ingot which can become sites of initiation of cracks, and cause premature wear of the metal part during cyclic loading 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 2; 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 stage differs considerably from the conditions observed in the forging processes of the prior art, usually carried out with a drawing stage using a four-hammer forging machine, or a rolling stage. Indeed, such a step is carried out at a much slower deformation rate than those obtained by the aforementioned conventional methods.
  • Such a process makes it possible to obtain, at the time of forging, the complete closure of the porosities observed in parts obtained by other forging processes, and in particular those of the prior art, or at least to obtain a considerable reduction in the dimensions of such porosities.
  • a first forging step resulting in a high deformation but carried out at a low deformation rate makes it possible to considerably reduce the shrink marks present in the part after forging, compared to parts obtained by d other processes.
  • It is advantageous to limit the porosities in such an alloy because the latter constitute sites of initiation of defects, in particular during stressing in fatigue of the forged parts.
  • the parts obtained according to the invention thus exhibit improved fatigue strength compared to parts of the prior art.
  • 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 2.0 and 3.0, or even between 2.5 and 3.0.
  • 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 strain obtained after the second step is between 0.5 and 1.0.
  • 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 introduced 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 a process of the prior art .
  • a method of the invention comprises, as described above, 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 2; 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 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.
  • the manufacturing parameters of each of the two stages contribute to the increase in the average fatigue strength value of steel prepared according to the invention, and also make it possible to obtain a steel whose mechanical properties are, between two different samples, less dispersed around the mean values than a steel of the prior art. This is of significant industrial interest because the certification values take into account the dispersions around the average values.
  • Figure 1 represents experimental results of cyclic fatigue tests, i.e. the number of cycles N that it took to break a steel characterization specimen by subjecting it to a cyclic stress oscillating periodically between two values of stresses a minimum value and a maximum value C ma x-
  • FIG. 1 illustrates the maximum stress that had to be imposed to break maraging steel characterization specimens prepared according to the prior art, represented by curve 15, and characterization specimens manufactured by the process of the invention, represented by curve 25.
  • 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 the average curves, denoted +/-30i around curve 15 and +/-302 around the 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.

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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 2; 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 ne permettent pas toujours d'éliminer la totalité des porosités (retassures) issues de la refusion du lingot 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 la porosité finale obtenue dans la pièce après forgeage.
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 2 ; 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 habituellement d'une étape d'étirage à la machine à forger quatre marteaux, ou d'une étape de laminage. En effet, une telle étape est réalisée à une vitesse de déformation bien plus lente que celles obtenues par les procédés classiques pré-cités.
Un tel procédé permet d'obtenir au moment du forgeage la fermeture complète des porosités observées dans des pièces obtenues par d'autres procédé de forgeage, et notamment ceux de l'art antérieur, ou au moins d'obtenir une réduction considérable des dimensions de telles porosités. En particulier, il a été observé par les inventeurs qu'une première étape de forgeage aboutissant à une déformation élevée mais réalisée à une vitesse de déformation faible permet de diminuer considérablement les retassures présentes dans la pièce après forgeage, comparativement à des pièces obtenues par d'autres procédés. Il est avantageux de limiter les porosités dans un tel alliage car ces dernières constituent des sites d'amorçages de défauts, notamment lors de sollicitation en fatigue des pièces forgées. Les pièces obtenues selon l'invention présentent ainsi une tenue à la fatigue améliorée comparativement à des pièces de l'art antérieur.
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 2,0 et 3,0, voire entre 2,5 et 3,0. 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 0,5 et 1,0.
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 introduit ici 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 un procédé de l'art antérieur.
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 2 ; 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 la porosité observée 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'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, noté +/-3oi autour de la courbe 15 et +/-3Ü2 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.

Claims

7 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 2 ; 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 2,5 et 3,0.
[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 0,5 et 1,0.
[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 Al compris entre 0,0 % et 2,0 % ; 8
- une teneur en molybdène Mo comprise entre 1,0 % et 5,5 % ;
- une teneur en nickel Ni 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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AIRCRAFTMATERIALS UK, DATA SHEET: "Maraging Steel 250/250, Technical Data Sheet", 30 December 2013 (2013-12-30), UK, XP002802390, Retrieved from the Internet <URL:aircraftmaterials.com/data/nickel/C250.html> [retrieved on 20210317] *

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