Procédé de réalisation d'une pièce de structure à haute résistance mécanique

Abstract

 L'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce de structure destinée à supporter des sollicitations élevées et possédant, à cet effet, une structure métallurgique spécifi­que à grain fin.
Selon l'invention on réalise tout d'abord un produit plat (1), par laminage d'une ébauche constituée d'un alliage de composition voulue, en réglant les conditions de laminage de façon à donner audit produit, une structure métal­lurgique déterminée, on découpe ensuite dans ledit produit plat (1) au moins un flan (2) de profil déterminé en fonction de la forme à obtenir et l'on soumet enfin ce flan (2) à une déformation à la presse du type emboutissage pour l'obtention de la forme en trois dimensions voulues, la tempéra­ture du métal étant ajustée pendant toute L'opéra­tion de façon à obtenir finalement la structure métallurgique spécifique désirée.
L' invention s'applique spécialement à la fabrication de pièces très sensibles telles que des longerons de mâts porte-réacteurs d'avions et remplace le matriçage précédemment utilisé.

Description

[0001] L'invention a pour objet un procédé de réalisation de pièces métalliques constituées d' une paroi mince et ayant une forme en trois di­mensions, et plus spécialement de pièces de struc­ture ayant une haute résistance mécanique leur permettant de supporter des sollicitations élevées. L'invention s'applique en particulier à la réalisation de pièces de structure allongées et de grandes dimensions telles que les longerons de mâts porte-réacteurs dans l'industrie aéronauti­que.

[0002] Pour fixer les réacteurs sur le fuselage ou sur les ailes d'un avion, on utilise des mâts qui doivent avoir des dimensions assez grandes pour maintenir le réacteur à la distance voulue de son support, tout en restant assez légers pour ne pas alourdir excessivement l'appareil. Cependant ces pièces doivent résister à des sollicitations mécaniques très importantes et variables et ceci, avec une sécurité parfaite, étant donné qu'il s'agit de pièces d'importance vitale. On donne donc à ces pièces une forme en trois dimensions déterminée de façon à obtenir les dimensions, le poids et la résistance voulus et à diminuer autant que possible les soudures. Dans le cas d'un mât porte-réacteur, par exemple, on utilise souvent des pièces en forme de longerons constitués chacun d'une paroi mince de forme allongée et raidie sur ses bords par des ailes relevées qui lui donnent une section transversale en U, mais d'autres for­mes sont concevables.

[0003] Compte-tenu des sollicitations suppor­tées et des impératifs de sécurité, les spécifica­tions que doivent respecter de telles pièces sont très sévères, notamment en ce qui concerne la com­position du métal, sa structure métallurgique et les cotes à respecter.

[0004] La composition du métal est déterminée pour résister au mieux aux diverses sollicitations mécaniques ou thermiques ou à la corrosion avec un poids aussi faible que possible et on utilise gé­néralement des aciers fortement alliés de base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Cr-Mo, d'autres compositions étant possibles cependant. En outre, pour résister dans de bonnes conditions et sur une longue pério­de aux sollicitations, le métal doit avoir une structure métallurgique spécifique et notamment une structure à grain très fin, par exemple plus fine que l'incide 6 de l'AFNOR.

[0005] Jusqu'à présent, pour répondre à l'ensemble de ces exigences, il avait semblé nor­mal de fabriquer de telles pièces par matriçage à partir de demi-produits massifs ou d'une barre mé­tallique de la nuance voulue au moyen d'une presse de très grande puissance.

[0006] Le matriçage, en effet, est la technique utilisée généralement pour la fabrication de piè­ces massives répondant à des exigences sévères, mais la puissance de la presse dépend évidemment des dimensions de la pièce à réaliser. Pour dimi­ nuer la puissance nécessaire, on soumet la pièce à un préchauffage permettant de diminuer la résis­tance à la déformation du métal. Il en résulte né­cessairement une modification de la structure métallurgique et notamment un grossissement du grain qui est ensuite atténué par le matriçage et, éventuellement, un traitement thermique.

[0007] Dans un tel procédé, par conséquent, la structure métallurgique d'abord détériorée par le réchauffage nécessaire est rétablie par les ef­fets successifs du matriçage et du traitement thermique. Il n'est pas toujours facile de régler le matriçage de façon à obtenir à la fois la forme voulue à partir de l'ébauche et une structure mé­tallurgique déterminée.

[0008] De plus, une trop grande élévation de température avant matriçage entraîne un tel gros­sissement du grain qu'il est très difficile de ré­tablir une structure métallurgique à grain fin et homogène dans l'ensemble de la pièce, le traite­ment thermique ne permettant pas toujours d'affiner suffisamment la taille du grain.

[0009] Dans le cas où l'on doit conserver une structure très fine, il faut donc diminuer la tem­pérature de préchauffage ce qui augmente la résis­tance à la déformation du métal et l'on est ainsi amené à utiliser des puissances de presse extrême­ment élevées, pouvant aller jusqu'à 65.000 tonnes (64 x 10⁷N). De telles presses sont évidemment ra­res et le coût de fabrication extrêmement onéreux. En outre, étant donné les dimensions des pièces que l'on souhaîte fabriquer, une puissance de 65.000 tonnes peut être encore insuffisante.

[0010] Il était donc utile de chercher un nou­veau procédé si possible moins onéreux et permet­ tant en outre d'étendre les possibilités de réalisation de façon à répondre au mieux à l'évolution de la technique qui conduit notamment à une augmentation de la dimension des pièces et à des exigences plus sévères.

[0011] Pour réaliser des pièces métalliques constituées d'une paroi mince ayant une forme en trois dimensions, éventuellement de grande taille, le procédé le plus banal consiste évidemment à dé­couper dans une tôle laminée présentant l'épaisseur voulue, des flans ayant un profil dé­terminé en fonction de la forme à obtenir et à soumettre chaque flan, éventuellement après ré­chauffage, à une déformation à la presse du type emboutissage pour l'obtention d'une pièce présen­tant la forme en trois dimensions voulue. Un tel procédé est évidemment très économique mais, jusqu'à présent, il était employé essentiellement pour des pièces réalisées en très grand nombre comme par exemple en carrosserie automobile. De telles pièces ne doivent pas répondre à des exi­gences de résistance très sévères et, de plus, sont réalisées en tôle très mince.

[0012] Il n'avait donc jamais été envisagé, jusqu'à présent, d'utiliser un tel procédé pour la réalisation de pièces de structure assez épaisses et devant respecter des exigences de structure très sévères pour supporter des sollicitations élevées, le matriçage étant considéré comme le procédé normal de réalisation de telles pièces.

[0013] L'inventeur a cependant estimé que, compte-tenu des avantages économiques très impor­tants apportés par le fait de pouvoir réaliser de telles pièces sur des presses de puissance modé­rée, il était justifié de poursuivre des études en ce sens.

[0014] L'invention a donc pour objet un nouveau procédé de fabrication de pièces de structure de grandes dimensions et destinées à supporter des contraintes élevées en faisant appel à des presses de puissance moyenne, par exemple ne dépassant pas 15 tonnes (15 x 10⁷N) et en garantissant cependant l'obtention de la structure métallurgique spécifi­que nécessaire à obtention des performances de­mandées.

[0015] D'une façon générale, la pièce est donc obtenue par une déformation à la presse du type emboutissage à partir d'un flan découpé dans un produit plat réalisé par laminage.

[0016] Conformément à l'invention, on réalise une pièce de structure destinée à supporter des sollicitations élevées et ayant, à cet effet, une structure métallurgique spécifique, à partir d'une ébauche constituée d'un métal fortement allié que l'on soumet à un laminage pour l'obtention d'un produit plat ayant l'épaisseur désiré, en contrô­lant les conditions de laminage de façon à donner auxdits produits une structure métallurgique dé­terminée, la température du métal étant ajustée pendant toute l'opération et, en particulier, lors du laminage et du réchauffage précédant l'embou­tissage de façon à obtenir, soit directement après laminage, soit après le réchauffage, la structure métallurgique spécifique recherchée, la pièce étant soumise, après emboutissage, à un traitement thermique final de mise en solution dans des conditions déterminées de façon à préserver la structure métallurgique spécifique ainsi obtenue.

[0017] De préférence, l'ébauche est constituée en acier fortement allié dans lequel au moins la teneur la plus forte en éléments d'addition dépas­se 5%, ou en un alliage austénitique de base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Cr-Mo et le traitement thermique final est un traitement de mise en solution du mé­tal dans des conditions déterminées de façon à ne pas provoquer de modifications de la finesse du grain de la pièce obtenue.

[0018] De façon particulièrement avantageuse, l'ébauche est constituée en acier fortement allié du type Maraging, c'est-à-dire de structure mar­tensitique, durci par durcissement structural, cet acier pouvant être un acier de base Fe-Ni-Co-Mo-Ti durci par la précipitation de phases riches en ti­tane et/ou molybdène, en acier de base Fe-Cr-Ni-­Mo-Al durci par la précipitation de phase riches en aluminium et/ou titane ou en acier de base Fe-Cr-Ni-Cu- ou Fe-Cr-Mo-Ni-Cu durci par la préci­pitation de phases riches en cuivre.

[0019] Dans un premier mode de réalisation par­ticulier, on règle les conditions de laminage de façon à donner au produit laminé, dès cette étape, la structure métallurgique désirée et la tempéra­ture du métal est ajustée, pendant toutes les opé­rations suivantes, à un niveau suffisamment bas pour que ladite structure spécifique ne soit pas modifiée.

[0020] Dans un second mode de réalisation, on contrôle les conditions de laminage de façon à donner au produit une structure métallurgique dé­terminée et l'on réalise le réchauffage précédant l'emboutissage à une température réglée de façon à obtenir la structure spécifique désirée, la tempé­rature du métal étant ajustée, pendant toutes ces opérations, à un niveau au plus égal à la tempéra­ture de traitement thermique final, c'est-à-dire la température de mise en solution.

[0021] En particulier, la structure métallurgi­que désirée pourra être obtenue, lors du laminage, par contrôle de la température au cours des passes successives de laminage, celles-ci comprenant de préférence une part importante, par exemple supé­rieure à 25% de la réduction d'épaisseur réalisée, à une température relativement basse, par exemple inférieure à 950°C, ces deux paramètres dépendant de la composition de l'alliage.

[0022] En revanche, la déformation effectuée à la presse pour l'obtention de la forme souhaîtée s'effectuera sans réduction sensible de l'épaisseur obtenue par le laminage et pourra être selon les cas, soit un véritable emboutissage, soit même un simple pliage à la presse.

[0023] L'invention se différencie donc du matriçage utilisé jusqu'à présent pour la réalisa­tion de telles pièces par la manière dont on ob­tient, non seulement, la forme mais également la structure métallurgique exigées.

[0024] Précédemment, en effet, une même opéra­tion de matriçage devait, d'une part donner à l'ébauche la forme voulue dans les trois dimen­sions et, en même temps, rétablir autant que pos­sible, la structure métallurgique modifiée par le préchauffage nécessaire, précisément pour rendre le matriçage possible.

[0025] Dans la présente invention, au contrai­re, on répond aux différentes exigences par des opérations séparées qui peuvent donc être mieux contrôlées.

[0026] A cet effet, on met à profit le fait que la technique très ancienne du laminage a bénéficié dans ces dernières années de progrès très impor­ tants qui ont permis non seulement de réaliser les réductions d'épaisseur désirée, mais même de contrôler la structure métallurgique de la tôle laminée. En outre, alors que, initialement les la­minoirs ainsi perfectionnés étaient utilisés pour le laminage de métaux assez mous et en faible épaisseur, les dernières évolutions de la techni­que permettent d'obtenir les mêmes avantages pour le laminage à chaud de tôles d'acier dont l'épaisseur peut même dépasser 10 mm.

[0027] De plus, on a découvert que, dans le cas particulier des aciers fortement alliés, notamment de type Maraging, qui sont souvent utilisés pour la réalisation de pièces de structure, la taille de grain très fine que l'on peut obtenir, soit di­rectement au laminage soit, après celui-ci, lors du réchauffage avant emboutissage, pouvait ne pas être altérée par l'opération d'emboutissage et le traitement thermique final.

[0028] C'est ce qui a permis, de façon très surprenante de réaliser par simple emboutissage, des pièces de structure à haute résistance respec­tant toutes les exigences imposées.

[0029] Mais l'invention sera mieux comprise par la description détaillée de certains exemples en se référant aux dessins annexés.

La figure 1 représente schématiquement l'ensemble des opérations de fabrication d'une pièce de structure selon l'invention.

La figure 2 donne à titre d'exemple la forme d'une pièce réalisée par le procédé de l'invention.

[0030] Tout d'abord on réalise une ébauche ayant la composition voulue.

[0031] Cette ébauche peut être obtenue par exemple par forgeage d'un lingot en métal de com­position appropriée ou bien par coulée directe d'un produit plat.

[0032] Dans une première étape du procédé re­présentée schématiquement en A sur la figure 1, on procède au laminage, de cette ébauche jusqu'à une épaisseur égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur recherchée pour la pièce finale. Ce laminage est réalisé par passes successives ou al­ternées dans une ou plusieurs cages de laminoir 10 munies des perfectionnements nécessaires pour ré­gler avec précision l'ensemble des paramètres de laminage à chaque passe. Le cycle de laminage, no­tamment le nombre de passes, la réduction d'épaisseur et la température, peuvent ainsi être déterminés de façon à ce que le produit possède une structure métallurgique spécifique qui corres­pond à la structure exigée pour la pièce ou bien permet d'obtenir cette structure lors du réchauf­fage précédant la déformation ultérieure à la presse. En particulier, une partie de la réduction est effectuée à une température relativement bas­se. Ces paramètres dépendant évidemment de la com­position du métal.

[0033] Par exemple, pour la réalisation d'une pièce telle que celle qui est représentée sur la Figure 2 et qui peut constituer un longeron de mât porte-réacteur, on partira d'un lingot fortement allié, en acier inoxydable martensitique, dont la composition peut être par exemple:
0,03% C - 13% Cr - 8% Ni - 2% Mo - 1% Al.

[0034] Ce lingot, dont l'épaisseur, après for­geage d'ébauchage, peut être comprise entre 200 et 250 mm, est laminé en une tôle d'épaisseur 30 mm environ, donc avec une réduction d'épaisseur de l'ordre de 87%. Les conditions de laminage et no­tamment le nombre de passes, la température du produit et le taux de réduction à chaque passe, sont réglés de façon que la tôle obtenue présente une structure métallurgique telle que, à la suite du réchauffage précédent la déformation ultérieure à la presse, la taille des grains soit plus fine que l'indice 6 de l'AFNOR. En particulier, une partie de la réduction d'au moins 25% est effec­tuée à une température inférieure à 950°C.

[0035] La tôle ainsi laminée est alors découpée en un ou plusieurs flans ayant la forme voulue.

[0036] On réalise enfin la pièce définitive en la réchauffant puis en la déformant dans la troi­sième dimension sans modification notable d'épaisseur et par conséquent avec une puissance de presse moyenne.

[0037] La température de réchauffage doit, en particulier, rester inférieure ou, au plus égale à la température de traitement thermique de l'alliage, c'est-à-dire sa température de mise en solution.

[0038] Par exemple, dans le cas de l'exemple indiqué plus haut et représenté sur la Figure 2, chaque flan est préchauffé à une température de 900°C, ce qui constitue une mise en solution de l'alliage considéré et détermine une taille de grains plus fin que l'indice 6 de l'AFNOR.

[0039] Cette température reste, cependant, suf­fisante pour permettre l'emboutissage ou le pliage du flan au moyen d'une presse de puissance modé­rée, par exemple 12.000 T (12 x 10⁷ N).

[0040] Chacune de ces pièces subit alors un traitement thermique de mise en solution à 920°C et de vieillissement suivant les spécifications d'emploi.

[0041] On observe que la taille du grain obte­nue dans la tôle est plus fine que l'indice 6 de l'AFNOR et qu'elle est uniforme sur toute son étendue.

[0042] Bien entendu, l'invention ne permet pas de réaliser toutes les formes que l'on peut obte­nir par matriçage, mais l'expérience montre qu'un grand nombre de pièces ainsi réalisées jusqu'à présent et en particulier les longerons de mâts porte-réacteurs ont des formes qui leur permettent d'être fabriquées par le procédé selon l'inven­tion.

[0043] En particulier, il sera possible de réa­liser des pièces de structure d'épaisseur supé­rieure à 10 mm et dont la longueur peut être de plusieurs mètres en utilisant une presse dont la puissance ne dépasse pas 15.000 tonnes (15 x 10⁷N).

[0044] Mais l'invention ne se limite évidemment pas aux seules caractéristiques et aux modalités de fabrication de l'exemple qui vient d'être dé­crit, et peut s'appliquer à d'autres alliages et à la fabrication de pièces d'autres formes.

[0045] Par exemple, l'opération d'emboutissage peut être remplacée par toute opération de formage par déformation d'un plat ne nécessitant qu'une puissance moyenne, comme, par exemple, un pliage à la presse.

[0046] En outre, il est possible de réaliser aussi par emboutissage, des pièces de formes très diverses sans réduction notable d'épaisseur et sans nécessiter de puissance exceptionnelle et l'invention ne se limite donc pas à la fabrication de pièces allongées, même si celles-ci en consti­ tuent une application préférentielle.

[0047] C'est ainsi que l'on a pu réaliser une hémisphère à partir d'un lingot d'acier martensi­tique fortement allié, préforgé à une épaisseur de 120 mm et ayant pour composition: 0,01% C; 18% Ni; 8% CO; 5% Mo; 0,4% Ti. Cette ébauche a été laminée en une tôle épaisse de 60 mm, donc avec une réduc­tion d'épaisseur un peu inférieure à 73% en réali­sant une partie de cette réduction d'au moins 25% à une température inférieure à 950°C. Après décou­page de cette tôle en flans individuels, chacun de ceux-ci a été préchauffé à 900°C, température pour laquelle la taille de grain était plus fine que l'indice 6 AFNOR. Chaque flan a été alors embouti de façon à produire un hémisphère dont le diamètre extérieur était de l'ordre de 1 m et l'épaisseur de 50mm. Chacun de ces hémisphères a ensuite subit un traitement thermique de mise en solution à 820°C et de vieillissement suivant les spécifica­tions d'emploi.

[0048] On voit donc que, pour la réalisation de pièces de structures soumises à des contraintes très élevées, invention permet de remplacer le matriçage de demi-produits massifs au moyen d'une presse très puissante par un laminage, un découpa­ge et un emboutissage ou un pliage sur une presse de puissance moyenne, la finesse du grain pouvant être parfaitement contrôlée pendant l'opération de laminage grâce à la limitation de la température de préchauffage pour l'emboutissage, ce qui amé­liore la fiabilité des pièces ainsi réalisées.

[0049] Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications, ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières, et n'en limi­tent aucunement la portée.

Revendications

1. Procédé de réalisation d'une pièce métallique constituée d'une paroi mince ayant une forme en trois dimensions dans lequel on réalise par laminage un produit plat (1) d'épaisseur cor­respondant sensiblement à celle de la pièce, on découpe dans ledit produit plat (1) au moins un flan (2) de profil déterminé en fonction de la forme à obtenir et, après réchauffage à une tempé­rature contrôlée, on soumet ce flan (2) à une dé­formation à la presse du type emboutissage pour l'obtention d'une pièce (20) présentant la forme en trois dimensions voulue,
caractérisé par le fait que l'on réalise une pièce de structure destinée à supporter des sollicita­tions élevées et ayant, à cet effet, une structure métallurgique spécifique, à partir d'une ébauche constituée d'un métal fortement allié que l'on soumet à un laminage pour l'obtention d'un produit plat (1) ayant l'épaisseur désirée, en contrôlant les conditions de laminage de façon à donner audit produit (1) une structure métallurgique détermi­née, la température du métal étant ajustée pen­dant toute l'opération et, en particulier, lors du laminage et du réchauffage précédant l'emboutissa­ge de façon à obtenir finalement la stucture mé­tallurgique spécifique recherchée, la pièce (20) étant soumise, après emboutissage, à un traitement thermique final de mise en solution dans des conditions déterminées de façon à préserver la structure métallurgique spécifique ainsi obtenue.

2. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ébauche est constituée en un acier fortement allié dans lequel au moins la te­ neur la plus forte en éléments d'addition dépasse 5%, ou en un alliage austénitique de base Fe-Ni-Cr ou Fe-Ni-Cr-Mo et que le traitement thermique fi­nal est un traitement de mise en solution du métal dans des conditions déterminées de façon à ne pas provoquer de modification de la finesse du grain obtenue par l'opération de laminage.

3. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'ébauche est constituée en un acier fortement allié du type Maraging, c'est-à-dire de structure martensitique durci par durcissement structural, cet acier pouvant être un acier de base Fe-Ni-Co-Mo-Ti durci par la précipi­tation de phases riches en titane et/ou molybdène, en acier de base Fe-Cr-Ni-Mo-Al durci par la pré­cipitation de phases riches en aluminium et/ou ti­tane ou en acier de base Fe-Cr-Ni-Cu ou Fe-Cr-Mo-Ni-Cu durci par la précipitation de pha­ses riches en cuivre.

4. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on règle les condi­tions de laminage de façon à donner au produit la­miné (1), dès cette étape, la structure métallurgique spécifique désirée et que la tempé­rature du métal est ajustée, pendant toutes les opérations suivantes, à un niveau suffisamment bas pour que ladite structure spécifique ne soit pas modifiée.

5. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon l'une des revendications à 3, caractérisé par le fait que l'on contrôle les conditions de laminage de façon à donner au pro­duit (1) une structure métallurgique déterminée et que l'on réalise le réchauffage avant emboutissage à une température réglée de façon à obtenir la structure spécifique désirée, la température du métal étant limitée, pendant toutes les opéra­tions, à un niveau au plus égal à la température du traitement thermique final.

6. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon l'une des revendications précéden­tes, caractérisé par le fait que la structure mé­tallurgique spécifique est une structure à taille de grain très fine, de préférence inférieure à l'indice 6 de l'AFNOR.

7. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon l'une des revendications précéden­tes, caractérisé en ce que l'on réalise la struc­ture métallurgique désirée notamment par contrôle de la température au cours des opérations de lami­nage du produit plat dans lequel on découpe ensui­te le ou les flans à emboutir.

8. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 7, caractérisé par le fait que, lors du laminage, on réalise une partie importante de la réduction d'épaisseur à une température relativement basse, cette produc­tion et cette température dépendant de la composi­tion de l'alliage.

9. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 8, caractérisé par le fait que, lors du laminage, au moins 25% de la réduction d'épaisseur est effectué à une tempé­rature inférieure à 950°C.

10. Procédé de réalisation d'une pièce de structure caractérisé par le fait que l'on réa­lise une pièce (20) d'épaisseur supérieure à 10 mm et dont la longueur peut être de plusieurs mètres.

11. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon la revendication 10, caracté­risé par le fait que la déformation peut être réa­lisée sur une presse (3) dont la puisance ne dépasse pas 15000 t.

12. Procédé de réalisation d'une pièce de structure selon l'une des opérations précéden­tes, caractérisé par le fait que l'opération de déformation est un simple pliage à la presse.

Dessins