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) - chauffage par induction ; et

(c) - trempe.

[0005] Si l'on désire obtenir une peau tendre et un coeur dur, le procédé comprend en outre une étape (1) de trempe, puis une étape (2) de revenu, ces dernières étant effectuées après l'étape (a) et avant l'étape (b).

[0006] 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 γ et les éléments d'addition sont en solution solide. Par trempe depuis cette phase γ, on forme une phase martensitique dans laquelle les éléments d'addition sont en sursaturation. Cette phase martensitique est une variante de la phase orthorhombi­que α 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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 γ 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 redissolution des précipités en phase γ.

[0010] Afin de mieux ajuster la dureté en surface, le procédé comprend une étape supplémentaire (3) de revenu 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'effet durcissant de ce deuxième revenu sur le coeur de la pièce lorsqu'on effectue le premier traitement de revenu.

[0011] Lorsqu'on veut obtenir une peau dure et un coeur tendre, on effectue une étape (4) de refroidis­sement lent depuis la phase γ, 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 γ se décompose en deux phases : γ → α + U_xM_y où U_xM_y désigne une phase riche en élé­ments d'addition M. La dureté obtenue est faible, souvent plus faible que la dureté de la martensite 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.

[0012] 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.

[0013] 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

[0014] Dans cet exemple, on a cherché à obtenir des pièces dures à coeur et tendres en surface.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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

[0018] 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.

[0019] 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

[0020] Dans cet exemple, on a cherché à obtenir des pièces dures en surface et moins dures à coeur.

[0021] 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.

[0022] Les pièces ont ensuite été chauffées par in­duction à la fréquence de 23,5 kHz, ce qui a permis d'atteindre 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.

[0023] On a ensuite effectué un traitement de revenu pendant 4 heures à des températures comprises entre 350°C et 450°C.

[0024] 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 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 γ ;

(b) - chauffage par induction ; et

(c) - trempe.

2. Procédé selon la revendication 1, permet­tant d'obtenir une peau tendre et un coeur dur, carac­térisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suc­cessives suivantes, effectuées après l'étape (a) et avant l'étape (b) :

(1) - trempe ; et

(2) - revenu.

3. Procédé selon la revendication 2, carac­térisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire (3) de revenu effectuée après l'étape (c).

4. Procédé selon la revendication 1, permet­tant d'obtenir une peau dure et un coeur tendre, ca­ractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape (4) de refroidissement lent effectuée après l'étape (a).

5. Procédé selon la revendication 4, carac­térisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire (5) de revenu effectuée après l'étape (c).

6. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 5, caractérisé en ce que la ou les étapes de trempe sont des trempes à l'eau.

7. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape (b) est effectuée sous vide.

8. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape (b) est effectuée sous balayage d'un gaz neutre.

9. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce à traiter est réalisée en un alliage d'uranium avec l'un au moins des éléments suivants : titane, niobium, zirconium.

10. Procédé selon la revendication 9, 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.