Pièces forgées en superalliages à base de nickel : traitement thermique pour le contrôle de la taille des grains dans les pièces rotatives critiques

Les disques de turbine, les disques de compresseur, les arbres et les pièces forgées de rotor tournent à grande vitesse et à haute température pendant des milliers d'heures. Un échec n’est pas une fuite ; c'est un événement catastrophique. Pour ces pièces, la taille des grains du métal n'est pas un détail cosmétique. Il décide de la manière dont la pièce résiste aux fissures de fatigue, au fluage et à la lente croissance des fissures. Ce guide explique comment le traitement thermique détermine la taille des grains dans les pièces forgées en superalliage à base de nickel, comment les principales voies se comparent et ce que les acheteurs doivent spécifier et vérifier.

La taille des grains dans une pièce forgéee en superalliage est déterminée par deux éléments agissant ensemble : l'historique de travail à chaud qui crée les grains et la température du traitement thermique par rapport à la température à laquelle les particules de renforcement ou de fixation se dissolvent. La mise en solution en dessous de cette température maintient les grains fins (meilleure résistance à la traction et à la fatigue) ; la mise en solution au-dessus permet aux grains de devenir grossiers (meilleure résistance au fluage et à la croissance des fissures). Les traitements à double microstructure tentent de donner à chaque partie d'un disque la granulométrie dont elle a besoin.

Pourquoi la taille des grains est-elle importante dans les pièces rotatives critiques ?

Parce que les grains fins et grossiers protègent contre différents modes de défaillance. Les grains fins confèrent une résistance à la traction plus élevée et une meilleure résistance à la fatigue à faible cycle ; les grains grossiers offrent une meilleure résistance au fluage et à la croissance des fissures à haute température. Aucune granulométrie n’est optimale partout dans une pièce en rotation.

Un grain est un petit cristal. Les limites entre les grains sont des points faibles à haute température, où le métal peut se déformer (fluer) lentement le long d'eux. À des températures plus basses, l'inverse est vrai : les joints bloquent les fissures, donc plus de joints (grains plus fins) signifient un métal plus solide et plus résistant à la fatigue. Un disque remplit les deux conditions à la fois. L'alésage (au centre) est plus froid et supporte des cycles de contraintes élevées. La jante chauffe plus et résiste à une charge soutenue.

Tableau 1. Compromis en matière de granulométrie dans les alliages de disques, tel que décrit dans la littérature publiée sur le traitement thermique des disques de turbine à gaz.

Qu'est-ce qui contrôle la taille des grains dans un forgeage en superalliage à base de nickel ?

Trois leviers le contrôlent : l'ampleur et la température de déformation du métal pendant le forgeage, les particules présentes pour fixer les joints de grains et la température finale de traitement de la solution par rapport au solvus (la température à laquelle ces particules se dissolvent).

Lors du forgeage, la déformation crée de nouveaux petits grains par recristallisation. Lors d'un chauffage ultérieur, ces grains ont tendance à croître, car les gros grains ont moins de surface limite et donc moins d'énergie. Les particules dures situées aux joints des grains agissent comme des ancres et stoppent cette croissance. DansAlliage 718la phase d'ancrage est delta (δ) ; dans les alliages de disques en poudre et en métal, il s'agit d'un gamma prime primaire grossier ( ′). Une fois que la température du traitement thermique dépasse le point où les ancres se dissolvent, les grains peuvent croître rapidement. C'est pourquoi la température du solvus est le chiffre le plus important dans le contrôle de la granulométrie.

Comment la phase Delta contrôle-t-elle la taille des grains dans l'Inconel 718 ?

La phase Delta est une phase riche en niobium qui se forme aux joints de grains entre environ 800 et 1 000 degrés. Il fixe les limites lors du forgeage et du traitement de la solution, de sorte que l'alliage 718 reste à grain fin tant que la température de la solution reste inférieure au delta solvus, environ 1 010 à 1 020 degrés.

Les faussaires l’exploitent volontairement. Dans le « traitement delta », le matériau est amené à précipiter la phase delta avant et pendant le forgeage, de sorte que les grains restent petits lorsque la pièce est ensuite chauffée. Les données publiées montrent à quel point la taille des grains est sensible à la température et à la teneur en delta. Dans une étude sur des billettes 718 à grain ultra fin, une solution à 1 800 degrés F (environ 980 degrés) pendant 5 heures a laissé un delta d'environ 2,6 % et a donné une granulométrie ASTM 9, tandis qu'une solution étalon à 1 850 degrés F (environ 1 010 degrés) pendant 1 heure a laissé un delta d'environ 4,6 % et a donné ASTM 10. Dans une étude distincte sur disque à grande échelle, la solution standard à 954 degrés a produit un Structure ASTM 11-12 en matériau traité en delta.

Tableau 2. Effet de la température de la solution et de la phase delta sur la taille des grains de l'alliage 718. Sources : Actes TMS Superalloys (1992, 2001) et littérature de brevet sur le traitement thermique de l'alliage 718. Les numéros ASTM sont des numéros de granulométrie ASTM E112 ; plus haut signifie plus fin.

Ce qu’il faut retenir est un compromis. La phase Delta aide à maintenir la taille des grains, mais aux limites des grains, elle peut également affecter la ductilité et le comportement à la corrosion sous contrainte, de sorte que certaines applications la dissolvent délibérément. Un brevet publié sur la résistance à la corrosion sous contrainte rapporte que le recuit au-dessus du delta solvus a supprimé le delta limite mais a grossi les grains de ASTM 8 à ASTM 3. C'est pourquoi la température de la solution est choisie pour l'application et non copiée à partir d'un tableau générique.

Quelle est la différence entre le traitement thermique Subsolvus et Supersolvus ?

Le traitement de la solution Subsolvus est effectué en dessous du solvus gamma premier, laisse des particules primaires grossières qui épinglent les grains et donne des grains fins. Le traitement Supersolvus est effectué au-dessus du solvus, dissout ces particules et laisse les grains grossir. Le premier favorise la force et la fatigue ; le second favorise la résistance au fluage et à la propagation des fissures.

Ce choix s'applique principalement aux alliages de disques métalliques en poudre hautement alliés, renforcés par un gamma-prime, tels que le René 88DT, dont le solvus gamma prime a été signalé à environ 1 110-1 116 degrés (2 030-2 040 degrés F). Les travaux publiés sur ces alliages indiquent que les traitements subsolvus retiennent environ 10 à 20 % des particules primaires grossières qui limitent la croissance des grains, tandis que les traitements supersolvus perdent cette contrainte et permettent aux grains de croître.

Tableau 3. Traitement en solution Subsolvus versus Supersolvus pour les alliages de disques renforcés par gamma-prime. Sources : actes de TMS Superalloys, études de disques de la NASA et littérature sur les brevets GE.

Le traitement Supersolvus était au cœur du développement du René 88DT, où la taille de grain plus grossière développée par le traitement en solution Supersolvus devait bénéficier au fluage, et le programme visait une réduction importante du taux de croissance des fissures de fatigue par rapport au René 95. Le traitement Supersolvus de cette classe d'alliage peut produire des tailles de grains grossiers proches de la norme ASTM 6 pour une meilleure résistance à la croissance des fissures de fatigue.

Quel est le traitement thermique standard pour les pièces forgées en Inconel 718 ?

Recuit en solution à environ 925-1010 degrés suivi d'un refroidissement rapide, puis d'un vieillissement en deux étapes : 718 degrés pendant 8 heures, refroidissement du four à environ 620 degrés, maintien d'un temps de vieillissement total de 18 heures, puis refroidissement à l'air. Garder l'étape de solution en dessous du delta solvus préserve le grain fin.

Tableau 4. Cycle de solution et de vieillissement typique de l’alliage 718. Sources : fiches fournisseurs faisant référence à la pratique AMS 5662/5663. Suivez toujours les spécifications en vigueur et le bon de commande.

Les étapes de vieillissement ne modifient pas beaucoup la taille des grains, car 718 degrés et 620 degrés sont bien en dessous des températures de la solution. Ce qu'ils font, c'est précipiter les phases de renforcement ( ″ et ′). La taille des grains est donc fixée par le parcours de forgeage et l'étape de mise en solution ; le vieillissement donne alors de la force.

Qu'est-ce que le traitement thermique à double microstructure et pourquoi est-il utilisé pour les disques ?

Le traitement thermique à double microstructure confère au disque un alésage à grain fin à haute résistance et un bord à grain grossier résistant au fluage en chauffant les deux régions à des températures différentes par rapport au solvus. Il vise à supprimer le compromis de la taille unique.

Un traitement thermique uniforme donne une granulométrie uniforme sur tout le disque, qu'elle soit fine ou grossière, ce qui oblige à un compromis. Dans un double traitement, la jante est amenée au-dessus du solvus gamma prime pour la grossir, tandis que l'alésage est maintenu en dessous du solvus. Les recherches sur l'alliage de disque avancé LSHR ont examiné les options subsolvus et supersolvus ainsi que plusieurs options à double structure, conçues pour fournir un alésage à grain fin et à haute résistance et une jante à grain grossier et résistante au fluage.

La méthode a son propre défi : la zone de transition entre les régions fines et grossières. Des chercheurs de la NASA ont étudié les modes de rupture par fatigue dans la zone de transition granulométrique d'un disque à double microstructure, et les brevets de traitement thermique notent un autre risque de processus, à savoir qu'une température d'alésage trop inférieure au solvus peut faire vieillir le gamma prime et annuler l'avantage. Le traitement à double microstructure nécessite un contrôle thermique précis et des tests approfondis.

Quels défauts un mauvais contrôle de la granulométrie peut-il provoquer ?

Les principaux défauts sont des grains grossiers anormaux (croissance critique des grains), des structures de grains mélangés ou en bandes, des grains envahis par une température de solution excessive et des contraintes résiduelles ou des fissures de trempe, qui peuvent tous réduire la durée de vie en fatigue ou rendre les résultats imprévisibles.

Tableau 5. Défauts courants liés à la granulométrie dans les pièces forgées en superalliage et comment les éviter.

Comment les acheteurs doivent-ils spécifier et vérifier la taille des grains ?

Spécifiez l'alliage et les spécifications régissant, la plage granulométrique ASTM E112 requise (et tout grain grossier maximum autorisé), les emplacements d'essai et la voie de traitement thermique, puis exigez des certificats et une métallographie qui le prouvent.

La taille des grains est indiquée sur l'échelle ASTM E112, où un nombre plus grand signifie un grain plus fin. Le tableau ci-dessous donne les diamètres moyens approximatifs des grains pour les nombres couramment observés dans les pièces forgées en superalliage.

Tableau 6. Conversions approximatives de la taille des grains ASTM E112.

Tableau 7. Liste de contrôle de l'acheteur pour les pièces forgées en superalliage à granulométrie critique.

Foire aux questions

La déformation par forgeage crée les grains, les particules épinglées (phase delta dans l'alliage 718, gamma primaire grossier dans les alliages à disques) les retiennent et la température de la solution par rapport au solvus décide si ces particules restent ou se dissolvent.

Quel est le solvus delta de l’Inconel 718 ?

Environ 1010-1020 degrés. Les valeurs publiées varient légèrement car le solvus dépend du temps, de la morphologie et de la teneur locale en niobium ; une étude rapporte une valeur d'équilibre calculée proche de 1 033 degrés et une valeur apparente proche de 1 020 degrés.

Qu'est-ce que le traitement thermique subsolvus par rapport au supersolvus ?

Subsolvus est un traitement en solution inférieur au solvus gamma premier et donne des grains fins et de meilleures propriétés de traction et de fatigue. Supersolvus est au-dessus du solvus et donne des grains grossiers et une meilleure résistance au fluage et à la croissance des fissures.

Pourquoi ne pas rendre chaque grain grossier pour résister au fluage ?

Les grains grossiers diminuent la résistance à la traction et à la fatigue à faible cycle, qui sont importantes au niveau de l'alésage plus froid et fortement sollicité d'un disque. C'est pourquoi il existe des traitements à double microstructure.

Quel est le traitement thermique standard pour l’Inconel 718 ?

Recuit en solution à environ 925-1010 degrés avec refroidissement rapide, puis vieillit à 718 degrés pendant 8 heures, refroidit le four à environ 620 degrés, maintient pendant 18 heures au total et refroidit à l'air.

Qu’est-ce que la croissance critique des grains ?

Grains anormalement grossiers qui se forment dans les régions de déformation critique après le traitement thermique supersolvus d'alliages métalliques en poudre tels que le René 88DT. Il s’agit d’un risque connu de forgeage et de traitement thermique que les contrôles de traitement sont conçus pour prévenir.