Procédé de traitement thermique d'une piece en alliage d'uranium

Description

[0001] La présente invention a pour objet un procédé de traitement thermique de pièces en alliage d'uranium permettant d'obtenir des propriétés structurales et mécaniques différentes entre le coeur et la surface d'une pièce.

[0002] Dans certains cas, il peut être intéressant d'obtenir des propriétés mécaniques différentes entre la surface et le coeur d'une pièce métallique, par exemple dans la réalisation de matériaux de protection.

[0003] La présente invention s'applique plus particulièrement aux alliages d'uranium dits "à durcissement structural" qui sont généralement des alliages d'uranium avec du titane, du niobium ou du zirconium, la teneur moyenne en éléments d'addition étant de 0,5 à 6% en poids.

[0004] Selon la principale caractéristique du procédé objet de l'invention, celui-ci comprend les étapes successives suivantes:

(a) homogénéisation en phase γ;

(b) traitement thermique consistant soit en une trempe et un revenu pour obtenir une peau tendre et un coeur dur, soit en un refroidissement lent pour obtenir une peau dure et un coeur tendre;

(c) chauffage par induction; et

(d) trempe.

[0005] L'étape d'homogénéisation est effectuée à une température variable suivant l'alliage, mais généralement supérieure à 750°C car, à cette température, l'uranium est en phase y et les éléments d'addition sont en solution solide. Par trempe depuis cette phase ₇, on forme une phase martensitique dans laquelle les éléments d'addition sont en sursaturation. Cette phase martensitique est une variante de la phase orthorhombique a de l'uranium : elle est d'autant plus tendre que la teneur en éléments d'addition est élevée, les duretés étant généralement comprises entre 250 et 400 HV.

[0006] Par un revenu ultérieur, on déstabilise la phase martensitique et on provoque la précipitation de composés durcissants. Il est possible d'atteindre, suivant le type d'alliage, la température et le temps de revenu, une dureté de 600 à 650 HV.

[0007] Quant au chauffage par induction, il permet de ne chauffer la pièce, et donc d'en modifier la structure, que sur une profondeur déterminée dépendant de la manière dont le chauffage est réglé. En effet, la profondeur chauffée par les courants induits dans la pièce dépend de la fréquence. Pour une fréquence supérieure à 300 kHz, cette profondeur est inférieure à 2 mm. Pour des fréquences moyennes, c'est-à-dire de 10 à 30 kHz environ, cette profondeur est de l'ordre de 2 à 8 mm. En basse fréquence, c'est-à-dire à des fréquences inférieures ou égales à 4 kHz, elle est supérieure à 8 mm. Cette profondeur dépend également des caractéristiques du matériau, entre autres la résistivité électrique. De plus, cette technique peut être mise en oeuvre dans une enceinte corfinée sous vide ou balayée par un gaz neutre, ce qui est particulièrement avantageux compte tenu de l'oxydabilité de l'uranium.

[0008] Si l'on veut obtenir une pièce ayant une peau tendre et un coeur dur, on commence par les étapes d'homogénéisation, de trempe et de revenu décrites ci-dessus. Ensuite, la pièce subit un chauffage par induction afin de passer une bande superficielle en phase y et de redissoudre la précipitation, mais ceci uniquement en surface. Ce chauffage est immédiatement suivi d'une trempe qui provoque la transformation martensitique de cette bande et donc une zone superficielle plus tendre que le coeur. La largeur de cette bande dépend des caractéristiques de l'installation et notamment des caractéristiques du courant de chauffage par induction, de la température atteinte en surface et de la cinétique de redissolu- tion des précipités en phase y.

[0009] Afin de mieux ajuster la dureté en surface, le procédé comprend une étape supplémentaire (3) de revenue effectuée après les étapes de chauffage par induction et de trempe indiquées ci-dessus. Ce revenu permet d'obtenir la dureté désirée en surface. Bien entendu, il est nécessaire, lorsqu'on procède ainsi, de tenir compte de l'effect durcissant de ce deuxième revenu sur le coeur de la pièce lorsqu'on effectue le premier traitement de revenu.

[0010] Lorsqu'on veut obtenir une peau dure et un coeur tendre, le traitement thermique (b) consiste en un refroidissement lent depuis la phase y, c'est-à-dire après l'étape d'homogénéisation et avant l'étape de chauffage par induction. En effet, par un refroidissement lent, la phase y se décompose en deux phases: γ → a + U_xMy où U_xMy désigne une phase riche en éléments d'addition M. La dureté obtenue est faible, souvent plus faible que la dureté de la mar- tensité de l'alliage correspondant. Après le refroidissement lent, on forme une bande de martensite en peau par chauffage par induction et trempe superficielle et on effectue une étape (5) de revenu, ce qui ne modifie pas la structure à coeur.

[0011] L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, de quelques exemples de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.

[0012] Les essais qui vont être décrits ci-dessous ont été effectués sur des pièces en alliage d'uranium et de titane contenant 0,75% en poids de titane.

Exemple 1

[0013] Dans cet exemple, on a cherché à obtenir des pièces dures à coeur et tendres en surface.

[0014] Pour cela, on a d'abord effectué un traitement d'homogénéisation pendant 1 heure à 850°C, suivi d'une trempe à l'eau. On a réalisé ensuite un durcissement structural par un revenu de 4h30mn à 450_°C dans un four sous vide.

[0015] Les pièces ont ensuite été chauffées par induction pendant 5 secondes à la fréquence de 23,5 kHz dans une enceinte fermée sous balayage d'argon:on a ainsi obtenu une température de 1000_°C en surface, ce qui correspond à une vitesse de chauffage de 200_°C par seconde. On a ensuite effectué une trempe à l'eau immédiatement en fin de chauffage.

[0016] Cette gamme a permis d'obtenir des pièces ayant un gradient de dureté, la dureté étant de 375 HV en peau sur une zone de 5 mm de profondeur et de 580 HV à coeur.

Exemple 2

[0017] Dans cet exemple, les pièces ont subi le même traitement que dans l'exemple 1, mais on a ajusté la dureté en peau par un traitement de revenu supplémentaire, effectué après la dernière opération de trempe. On a pu constater que ce traitement ne modifie pas notablement la dureté à coeur.

[0018] Par un revenu de 4 heures à 400_°C, on a obtenu une dureté en surface de 420 HV et, par un revenu de 4 heures à 425_°C, on a obtenu une dureté en surface de 480 HV. Dans l'un et l'autre cas, la dureté à coeur est restée égale à 580 HV.

Exemple 3

[0019] Dans cet exemple, on a cherché à obtenir des pièces dures en surface et moins dures à coeur.

[0020] On a d'abord effectué un traitement d'homogénéisation pendant 1 heure à 850_°C suivi d'un refroidissement contrôlé dans un four sous vide, la vitesse de refroidissement étant inférieure à 0,5_°C par seconde.

[0021] Les pièces ont ensuite été chauffées par induction à la fréquence de 23,5 kHz, ce qui a permis d'at- teindre une température en peau de 1000°C, soit une vitesse de chauffage de 200_°C par seconde. Les pièces ont été trempées à l'eau immédiatement en fin de chauffage.

[0022] On a ensuite effectué un traitement de revenu pendant 4 heures à des températures comprises entre 350_°C et 450_°C.

[0023] Cette gamme a permis d'obtenir des pièces ayant un gradient de dureté. La dureté à coeur était toujours inférieure à 320 HV tandis que les duretés en peau allaient de 375 HV à 580 HV suivant la température de revenu choisie.

Revendications

1. Procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'uranium avec l'un au moins des éléments suivants: titane, niobium, zirconium, en vue d'obtenir des propriétés différentes entre la peau et le coeur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes:

(a) homogénéisation en phase y;

(b) traitement thermique consistant soit en une trempe et un revenu pour obtenir une peau tendre et un coeur dur, soit en un refroidissement lent por obtenir une peau dure et un coeur tendre;

(c) chauffage par induction; et

(d) trempe.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire de revenu effectuée après l'étape (d).

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la ou les étapes de trempe sont des trempes à l'eau.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape (c) est effectuée sous vide.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape (c) est effectuée sous balayage d'un gaz neutre.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur moyenne de la pièce à traiter en éléments d'addition est comprise entre 0,5% et 6% en poids.

Claims

1. Process for the heat treatment of a uranium alloy with at least one of the following elements: titanium, niobium, zirconium, with a view to obtaining different properties between the skin and the core, characterized in that it comprises the following successive stages:

(a) y-phase homogenization,

(b) heat treatment consisting either of hardening and tempering in order to obtain a soft skin and a hard core, or a slow cooling to obtain a hard skin and a soft core,

(c) inducting heating,

(d) hardening.

2. Process according to claim 1, characterized in that it comprises a supplementary tempering stage performed after stage (d).

3. Process according to either of the claims 1 and 2, characterized in that the hardening stage or stages involve water hardening.

4. Process according to any one of the claims 1 to 3, characterized in that stage (c) is performed in vacuo.

5. Process according to any one of the claims 1 to 4, characterized in that stage (c) is performed with neutral gas scavenging.

6. Process according to any one of the preceding claims, characterized in that the average content of addition elements in the member to be treated is between 0.5 and 6% by weight.

Ansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Teils aus einer Uranlegierung mit wenigstens einem der folgenden Elemente: Titan, Niob, Zirkon, zum Erhalten unterschiedlicher Eigenschaften zwischen der Haut und dem Kern, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende, sukzessive Verfahrensschritte aufweist:

(a) Homogenisierung in der y-Phase;

(b) thermische Behandlung, die entweder aus einem Abschrecken und einem Anlassen besteht, um eine weiche Haut und einen harten Kern zu erreichen, oder aus einem langsamen Abkühlen besteht, um eine harte Haut und einen weichen Kern zu erreichen;

(c) induktives Erwärmen; und

(d) Abschrecken.

2. Verfahren nach Aspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zusätzlichen Anlaßschritt umfaßt, der nach Schritt (d) ausgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Ab- schreckschritt(e) Abschreckschritte mit Wasser sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) unter Vakuum durchgeführt wird. ^priätäs di térisé en suivantes _lénéisatiol

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) unter einer Spülung mit einem neutralen Gas durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Gehalt an zusätzlichen Elementen des zu bearbeitenden Teils zwischen 0,5 und 0,6 Gewichtsprozent liegt.