FR2574686A1

FR2574686A1 - Procede de fabrication de disques de turbine

Info

Publication number: FR2574686A1
Application number: FR8516228A
Authority: FR
Inventors: John A Miller; Roy L Athey
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1985-10-31
Publication date: 1986-06-20
Anticipated expiration: 2005-10-31
Also published as: US4608094A; GB8524591D0; NO853929L; NO167405C; FR2574686B1; IL76658A0; DE3537882A1; DE3537882C2; JPS61144233A; NO167405B; GB2168268A; GB2168268B; JPH0457417B2

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FABRICATION D'UN OBJET METALLIQUE AYANT DES PROPRIETES QUI VARIENT, D'UNE MANIERE CONTROLEE, D'UNE PORTION DE L'OBJET A UNE AUTRE PORTION DE CE MEME OBJET. CE PROCEDE EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND LES PHASES CONSISTANT A FORGER A CHAUD L'OBJET DANS SA TOTALITE POUR LUI DONNER UNE PREMIERE FORME GEOMETRIQUE QUI EST VOISINE DE LA FORME GEOMETRIQUE FINALE DESIREE SAUF DANS DES PORTIONS DE L'OBJET QUI SONTSURDIMENSIONNEES D'AU MOINS 25 ENVIRON COMPARATIVEMENT A LA FORME GEOMETRIQUE FINALE DESIREE; A TRAITER THERMIQUEMENT L'OBJET AFIN D'AUGMENTER LA DIMENSION DU GRAIN ET FORGER A TIEDE LES PORTIONS SURDIMENSIONNEES DE L'OBJET POUR LES AMENER A LA FORME FINALE DESIREE, DE TELLE FACON QUE LES PORTIONS FORGEES A TIEDE DE L'OBJET PRESENTENT DES PROPRIETES DE RESISTANCE A LA TRACTION ACCRUES TANDIS QUE LES PORTIONS FORGEES A CHAUD DE L'OBJET PRESENTENT DES PROPRIETES DE RESISTANCE AU FLUAGE AUGMENTEES.

Description

d

La présente invention concerne des procédés de for-

geage des métaux et des procédés de fabrication d'objets présentant des propriétés mécaniques différentes en divers points. L'invention est plus particulièrement relative h la fabrication de disques de turbine en superalliage.

I1 arrive Généralement que des objets métallio,e-

doivent présenter une combinaison de propriétés et souvent

des exigences relatives à ces propriétés varient d'une por-

tion de l'objet à une autre. Dans certains cas un matériau unique peut satisfaire aux diverses exigences relatives aux

propriétés dans la totalité de l'objet. Cependant dans d'au-

tres cas il n'est pas possible de satisfaire à toutes les exigences en matière de propriétés dans un objet au moyen

d'un matériau unique. Dans de tels cas il est connu d'uti-

liser des objets composites dans lesquels une portion de l'objet est fabriqués à partir d'un matériau tandis qu'une seconde portion est fabriquée à partir d'un autre matériau, et les divers matériaux sont sélectionnés sur la base des

propriétés exigées pour les diverses portions de l'objet.

Cependant il peut arriver que l'utilisaiton d'ob-

jets composites ne soit pas possible. Par exemple dans un

moteur à turbine à gaz les disques qui supportent les ailet-

tes, tournent à une vitesse élevée dans un environnement à

température relativement élevée. Les températures rencon-

trées par le disque le long de son bord externe sont éle-

vées, en pouvant atteindre 8160 environ, tandis que la por-

tion de l'alésage interne qui entoure l'arbre sur lequel le disque est monté, est portée à une température beaucoup plus basse, par exemple inférieure à 5380c. Typiquement un

disque peut être limité, en fonctionnement, par les proprié-

tés de résistance au fluage du matériau dans la zone de la

bordure à haute température et par les propriétés de résis-

tance à la traction du matériau dans la zone de l'alésage à température plus basse. Puisque les contraintes apparaissent dans le disque sont dans une large mesure le résultat de sa rotation, le simple fait d'ajouter davantage de matériau au

disque dans les zones o l'on rencontre des propriétés ina-

déquates, n'est généralement pas une solution satisfaisante, puisque l'addition d'une quantité supplémentaire de matériau entraîne un accroissement des contraintes dans les autres

zones du disque. On a déjà envisagé de fabriquer les por-

tions de la bordure et de l'alésage du disque à partir de matériaux différents et de lier l'un à l'autre ces maté-

riaux. Ceci ne s'est pas révélé être une proposition irté--

ressante principalement par suite des difficultés rricon-

trées pour la liaison des matériaux ensemble, de façon à

leur permettre de résister d'une manière fiable à des con-

traintes élevées.

Par conséquent un but de la présente invention est

de fournir un objet métallique à composition d'alliaqe uni-

que ayant des propriétés qui varient d'une portion de l'ob-

jet à une autre.

Un autre but de la présente invention est de four-

nir un objet métallique à composition d'alliage chimique dans laquelle une portion de l'objet a une structure forgée à chaud et une autre portion de l'objet a une structure

forgée 3 tiède ou à froid.

Un autre but de la présente invention est de décri-

re un disque de turbine à gaz ayant des propriétés de résis-

tance à la traction optimales dans la zone de son alésage et des propriétés de résistance au fluage optimales dans la

zone de sa bordure.

Un autre but de la présente invention est de décri-

re un procédé de fabrication des objets précités.

-! Ces buts ainsi que d'autres sont atteints en formant l'objet à partir d'une ébauche de départ en utilisant une opération de forgeage à chaud afin de former l'objet avec sensiblement sa géométrie finale dans l'une de ses portions, tout en laissant cet objet surdimensionné dans une autre

portion. On traite ensuite thermiquement l'objet, typique-

ment au voisinage de la température de mise en solution de la phase gamma prime, afin de produire une structure à grain grossier qui résiste davantage au fluage qu'un matériau & grain fin. On emploie ensuite une opération de forgeage à

tiède pour réduire la portion surdimensionnée à la configu-

ration finale désirée et pour produire, dans la zone forgée à tiède, une microstructure différente de celle observée

dans la zone forgée à chaud produite précédemment et trai-

tée thermiquement.

L'invention a été conçue et développée à propos de disques de turbine formés en superalliages à base de nickel

dont la composition est donnée dans le tableau I ci-,prs.

Cependant on conçoit que les avantages procurés par l'inven-

tion peuvent s'appliquer à une large variété de matériaux métalliques, ainsi qu'il est évident pour les spécialistes

lé de la technique.

TABLE 1

Gamme de la teneur Teneur nominale du superalliaqe TN 10] Cr 8-21% 12,4 Co 10-16% 1R,5 Mo 2,5-6,0% 3,2

A1 1-6% 5,0

Ti 2,5-5,0% 4,3

C 0,05-0,2% 0,07

B 0,015-0,035% 0,02

Zr 0,n4-0,10%O 0,06 V n -]% 0,8

Hf - 1% --

Ta 0 - 5% --

Cb n - 5% (W+Ta+Cb+Mo) 2,5-10% 3,2 Ni Solde Solde

Dans le cas de superalliaqes b base de nickell'ob-

jet peut être vei]li directement en faisant suivre l'étape de forgeage h tiède d'un refroidissement à la-temperature ambiante, avec une vitesse commandée, ou bien encore en refroidissant directement l'objet à la température ambiante puis en le réchauffant à une ou plusieurs températures de veillissement, afin de provoquer la précipitation de la phase gamma prime de renforcement. L'objet obtenu a une structure forgée à tiède dans une portion de celui-ci et une structure forqée à chaud à grain grossier dans une autre portion. La portion forgée à chaud à grain grossier

peut résister aux contraintes de fluage tandis que la por-

tion forgée à tiède peut résister aux contraintes de trac-

tion. La zone forg4e h chaud résistant au fluage est cana-

ble de fonctionner à des températures élevées de l'ordre de 8160C et de résister au fluage à ces températures, tandis que la structure forgée à tiède est capable de résister a des contraintes de traction à des températures inférieures à

environ 5380C.

L'invention s'applique tout particulièrement h la fabrication de disques de moteurs à turbine à gaz dans lesquels la zone de la bordure fonctionne à des températures

élevées et est souvent limitée par les propriétés de resis-

tance au fluage du matériau, tandis que la zone de l'alésane fonctionne à des températures plus basses et est souvent limitée par les propriétés de résistance à la traction du matériau. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une

ébauche typique à partir de laquelle un disoue est formé.

La figure 2 est une vue en coupe axiale d'une forme

de disque intermédiaire.

La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une forme

de disque finale.

On décrira maintenant l'invention en considérant la

fabrication d'un disque de turbine à gaz à partir d'un supe-

ralliage à base de nickel connu sous le nom IN lfn dont la composition finale est donnée dans le tableau I. Le but de l'invention est de produire un disque ayant une structure forgée à tiède dans la zone de son alésage, afin de donner

à cette zone des propriétés de résistance à la traction éle-

vée, et une structure forgée à chaud à grain grossier dans la zone de sa bordure, afin de donner à cette zone de

bonne propriétés de résistance au f]uage.

La figure 3 montre la forme finale désirée du dis-

que, les lignes en trait plein représentant la forme finale désirée obtenue par forgeage tandis que les lignes en trait

mixte représentent une forme typique du disque après usina-

ge. La figure 1 représente une ébauche de départ qui est forgée à chaud dans des matrices de forme pour être amenAe à la configuration illustrée sur la figure 2. L'ébauche de la figure 1 peut être constituée par un matériau forgé, une poudre métallique consolidée ou une pièce moulée. La pièce représentée sur la figure 2 a un alésage surdimensionné pour

permettre le fluage du matériau pendant le forgeage. L'opé-

ration de forgeage à chaud est réalisée à une température qui, pour l'alliage en question, va typiquement de]0PnoC à 1093 C, avec une vitesse de déformation d'environ 0,1 mm/mm à 0,5 mm/mm par minute. Le procédé décrit dans le brevet LIS 3 519 503 est employé de préférence. Ce procédé est l'un des procédés de forgeage essentiellement isotherme mis en oeuvre

dans des conditions qui créent et maintiennent une condi-

tion temporaire de faible résistance mécanique et de ducti-

lité élevée dans le matériau forgé. La configuration repré-

sentée sur la figure 2 est conçue de manière à fournir une zone surdimensionnée dans le secteur de l'alésage, cette zone exigeant une réduction d'épaisseur d'au moins environ

25% pour permettre d'atteindre la configuration finale d6si-

rée. Une réduction d'épaisseur de 25% entraîne un forgeage A tiède à travers la totalité de l'épaisseur dans le secteur

de l'alésage.

L'objet intermédiaire forgé à chaud est ensuite traité thermiquement à une température d'environ 11490C pendant environ 4 heures, afin de produire un grossissement du grain. Le forgeage de la zone de l'alésage est réalisé è

une température d'environ 9270C avec une vitesse de déforma-

tion supérieure environ O,lmm/mm minute. Les forces exigées

à cet effet sont notablement supérieures à celles nécessi-

tées par l'opération antérieure de forgeage h chaud. La zone de la bordure qui se trouve dans l'état forgé à chaud, a une structure à grain grossier et une limite élastique

d'environ 1068 rtlPa, et elle est capable de résister au flua-

ge. La zone de l'alésage se trouve dans une condition for-

gée à tiède et elle a une limite élastique d'environ 1240 MPa. Par conséquent la zone de la bordure est capable de 5. résister à une déformation due au fluage tandis que la zone de l'alésage peut résister à des charges de traction du type

pouvant provoquer une rupture par éclatement.

Il convient également d'observer que, alors nue la bordure du disque fonctionne à une température plus élevée que la zone de son alésage, ni cet alésage ni cette bordure ne sont soumis à une température suffisante pour provonuer

une recristallisation ou une croissance des grains.

Pour un système d'alliage particulier la distinction entre le forgeage à chaud et le forgeage à tiède est oue dans l'étape de forgeage à chaud une recristallisation dynamique apparaît avec une vitesse telle que la structure finale, après le processus de forgeage à chaud, ne contient pas une densité accrue de dislocations telle que celle qui est produite par l'opération de forgeage à tiède ou h froid. Une structure forgée à tiède contient une densité de dislocations notablement accrue laquelle est responsable

des changements de diverses propriétés mécaniques. La tempé-

rature de recristallisation n'est pas une quantité exacte mais elle dépend plutôt des conditions de déformation et de l'histoire antérieure de l'alliage. Cependant, dans le cas des systèmes à trempe structurale, la température qui sépare le forgeage à tiède du forgeage à chaud est typiquement au voisinage de la température de mise en solution de la phase gamma prime, puisque au-dessus de cette température la phase gamma prime de renforcement se dissout et permet un

mouvement aisé des dislocations et le mouvement des frontiè-

res des grains recristallisés.

La résistance de l'objet peut être augmentée par veillissement direct à partir de la température de forqeage

à tiède. Alors que, pour développer les propriétés mécani-

ques optimales dans un système d'alliage à trempe structura-

le, tel que les alliages à base de nickel, il est désirable

de traiter en solution l'alliage au voisinage de la tempd-

rature de mise en solution de la phase gamma prime, afin dr-

dissoudre partiellement ou totalement la phase prAcini'4e.

et de précipiter ensuite de nouveau cette phase avec une

morphologie contrôlée, en réalisant une opération de veil]-

lissement à une ou plusieurs températures situ4es en d'ssous de la température de mise en solution du précipité, d,ny I cas de la présente invention un tel traitement de ri;e en

solution totale n'est pas possible puisque la mise en solu-

tion totale du précipité se traduirait par la recristaIlisa-

ln tion des zones forgées à tiède ce qui convertirait la totalité du disque en une structure du type recristallisé, a grain grossier. Cependant une partie substantielle de la résistance mécanique résultant de la séquence de trempe structurale complète peut être obtenue par vieillissement

direct à partir de la température de forgeage f tiède.

Ainsi, par exemple, après l'étape de déformation à 9270C, le disque peut être refroidi i la température ambiante puis veilli à une température appropriée comprise entre 5Q3 et

7600C afin d'obtenir une résistance maximale de l'al]sage.

Une autre solution pour augmenter les propriétés mécaniques est de traiter thermiquement la bordure du disque

afin de provoquer un grossissement additionnel du grain.

Ceci peut être réalisé en utilisant un chauffage localise de la bordure, afin d'augmenter la structure du grain de la

bordure.

Claims

REVENDICATTnNS

1.- Procédîi de fabrication d'un objet métaliquP ayant des propriétés qui varient,.d'une manière contrôlée, d'une portion de l'objet h une autre portion de cp même objet, caractérisé en ce qu'il comprend les phases ornnsis- tant à: a.- forger à chaud l'objet dans sa totalit.- pour lui donner une première forme géométrique qui est voi.ine de la forme géométrique finale désirée sauf dans des portions 1n de l'objet qui sont surdimensionnées d'au moins 25i rnviron comparativement à la forme géométrique finale désirée: h.- traiter thermiquement l'objet afin d'augmenter la dimension du grain; c.- forger à tiède les portions surdimensionnAes de l'objet pour les amener à la forme finale désirée, de telle façon que les portions forgées à tiède de

l'objet présentent des propriétés de résistance à la trac-

tion accrues tandis que les portions forgées à chaud de l'objet présentent des propriétés de résistance au fluage

-2D augmentées.

2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'objet est constitué en un superalliage h base

de nickel.

3.- Procédé suivant la revendication 2 carrctrise en ce que après la phase de forgeage à tiède, on veillit

directement l'objet par traitement thermique, afin de provo-

quer une précipitation contrôlée des phases précipit'es.

4.- Procédé suivant la revendication 2 caract4risé en ce que l'objet est un disque de moteur r turbine h gaz

et la portion forgée à tiède de l'objet constitue la por-

tion entourant son al]saqe.

5.- Procédé suivant la revendication 2 carartéris6 en ce que l'alliage comprend 8-21% Cr, 10-16% ro, 2,5-6,nr

Mo, 1-6%; AI, 2,5-5,0% Ti,0,05-0,2% C, 0,015-0,035% R, 0,04-

0,10% Zr, 8-1,8% V, n-1,0% Hf, 0-5% W, 0-5% Ta, R-5% Cb,

2,5-10% (W+Ta+Cb+Hlo), le sol-de étant constitue essentielle-

ment par Ni.

6.- Procédé suivant la revendication 1 carietrisr en ce qu'à la suite de l'opération de forgeaqe h tide on chauffe localement la zone forgée à chaud afin de produire

un grossissement du grain.

7.- Disque de moteur ? turbine à gaz en supérallia- ge à base de nickel, comportant une portion de bordure ayant une structure forgée à chaud et une portion proche de l'alésage ayant une structure forgée à tiède, si bien que le disque est capable de résister au fluage dans la zone de

sa bordure et de résister à des forces de traction, provo-

quant un éclatement, dans la zone de son alésage.

8.- Disque suivant la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est fabriqué en un alliage comprenant 8-21% Cr, -16% Co, 2,5-6,0% Mo, 1-6% A1, 2,5-5,0% TiO,n5-n,2% C, 0,015-0,035% B, 0,04-0,10% Zr, 0-1,0% V, 0-1,0% Hf, 0-5% W,

0-5% Ta, 0-5% Cb, 2,5-10% (W+Ta+Cb+Mo), le solde étant cons-

titué essentiellement par Ni.