FR2662255A1 - Procede pour l'identification, l'evaluation et l'elimination des micro-retassures. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour l'identification, l'évaluation et l'élimination des micro-retassures dans des pièces en superalliage obtenues par coulage de précision. On produit des pièces exemptes de micro-retassures néfastes, en les soumettant d'abord à une compression isostatique à chaud pour éliminer les micro-retassures en sous-surface qui ne sont pas reliées à la surface. On immerge les pièces dans une solution acide pendant une durée suffisante pour enlever de manière uniforme au moins environ 0,1 mm de la surface brute de coulée. On évalue les micro-retassures mises à nu pour acceptabilité ou élimination en faisant appel à des techniques non-destructives standard. Application à la fabrication de pièces soumises à des contraintes élevées, par exemple aux pièces pour moteurs à turbine.

Description

La présente invention concerne un procédé pour identi-

fier, évaluer et enlever les micro-retassures dans des métaux obtenus par coulée de précision et, plus particulièrement, un procédé pour identifier et évaluer les micro-retassures à proximité de la surface dans des pièces en superalliage obtenues par coulée de précision avant de les mettre en service. La présence d'une micro-retassure à proximité de la surface dans des pièces métalliques obtenues par coulage de précision est un défaut inhérent dans ce type de procédé de coulage On utilise largement les superalliages à base de nickel dans des pièces obtenues par coulée de précision pour les moteurs modernes à turbine à gaz, mais leur emploi dans des applications structurelles de forme complexe a été limité

par la présence de ces micro-retassures.

Le coulage de précision implique le versement d'un métal à l'état fondu dans un moule produit en entourant un modèle extensible avec une bouillie réfractaire qui prend; après quoi on enlève le modèle, généralement en appliquant de la chaleur Le coulage de précision permet la fabrication de pièces de forme presque nette, ayant des dimensions très précises, des angles et des formes complexes, ainsi que de pièces ayant une structure interne compliquée, par exemple les passages intérieurs des aubes ou les entretoises du bâti d'une turbine, seule une très faible finition s'avérant 2 -

nécessaire, voire aucune finition.

Etant donné qu'on utilise des pièces en superalliages à base de nickel obtenues par un coulage de précision pour des structures déterminantes dans des moteurs modernes à turbine, dont les montures de moteur, les châssis de turbine, les aubes de turbine, les entretoises de bâti, les pièces coulées de chambre de combustion et les récipients de

pression, celles-ci sont soumises à des techniques d'inspec-

tion répétée de manière à identifier les pailles tant dans la surface que dans la sous-surface Ces techniques d'inspection comprennent les tests radiographiques, les tests par courant de Foucault et les tests par ressuage et leurs modes

opératoires sont bien connus dans l'industrie.

On a employé avec succès ces techniques d'inspection

pour détecter la plupart des défauts en surface et en sous-

surface dans des pièces en superalliages à base de nickel employées dans les moteurs d'avion Dans certains cas, ces techniques seules se sont avérées inadéquates pour localiser certains défauts, nécessitant des modifications par rapport aux procédés classiques de pratique courante ou l'addition d'opérations avant qu'on puisse appliquer ces procédés avec succès On décrit un exemple d'une telle modification dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 534 823, dans lequel on décrit un procédé pour détecter des fendillements minuscules sur la surface métallique d'un alliage de nickel IN-100

corroyé qu'on a usiné Ce procédé utilise des modes opéra-

toires d'inspection standard par agent de pénétration fluorescent de façon à détecter les fendillements en surface après l'enlèvement par voie chimique d'une très petite quantité d'une couche en surface usinée, souillée, d'environ 0,0025 à 0,0150 mm Ce procédé s'est montré utile pour augmenter la sensibilité des fendillements débouchant sur la surface d'un alliage IN-100 travaillé en utilisant les produits chimiques et réactifs décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 534 823 cité cidessus, en -3

enlevant des quantités minuscules du matériau souillé.

Ces modes opératoires et procédés standard d'inspec-

tion, soit seuls, soit en combinaison, ne se sont avérés d'aucune valeur dans la détection des défauts dans des pièces fabriquées par coulage de précision, qu'on appelle micro- retassures à proximité de la surface Une micro-retassure proche de la surface est la formation de vides microscopiques

dans le matériau des pièces obtenues par coulage de préci-

sion, micro-retassures situées à proximité, mais au-dessous,

de la surface de la pièce qui peuvent être reliées microsco-

piquement à cette surface Comme le procédé de coulage de

précision produit aléatoirement cettes micro-retassure diffi-

cile à détecter, laquelle peut diminuer l'aptitude d'une pièce soumise aux contraintes rencontrées en service, il n'est pas rare que des pièces obtenues par coulage de précision soient limitées à des applications dans lesquelles les valeurs des contraintes rencontrées en fonctionnement sont suffisamment faibles pour ne pas avoir un effet néfaste sur les performances des pièces lorsque de tels défauts sont présents Il en résulte souvent que des pièces fabriquées par le procédé de coulage de précision ne sont pas utilisées dans des applications o les microretassures peuvent réduire

l'aptitude de la pièce à supporter les contraintes rencon-

trées en fonctionnement.

L'inspection par courant de Foucault est un procédé qui s'est avéré utile pour détecter les défauts débouchant dans la surface d'une pièce Dans ce procédé, un champ électrique est développé à l'intérieur de la pièce, et les variations du champ électrique indiquent la présence d'un défaut de surface En dehors du fait d'être limitée à l'examen des défauts de surface, l'inspection par courant de Foucault est lente et demande du temps, en particulier dans

le cas des pièces coulées structurelles complexes.

L'inspection avec un agent de pénétration en colorant est un autre procédé qui permet de détecter avec succès des 4 - défauts débouchant dans la surface d'une pièce Les modes opératoires de ce type d'inspection sont bien connus dans l'industrie Dans l'inspection avec agent de pénétration en colorant, un matériau de faible viscosité est appliqué à la surface de la pièce examinée, et par effet capillaire s'infiltre dans des défauts débouchant dans la surface, par exemple dans des fendillements ou des porosités L'agent de pénétration en excès est alors enlevé de la surface de la

pièce, et un matériau capable d'entraîner l'agent de pénétra-

tion adsorbé dans les ouvertures de la surface est appliqué à la surface de la pièce Par effet capillaire, l'agent de pénétration présent dans les ouvertures est ramené à la

surface, ce qui permet de révèler l'emplacement des défauts.

Lors de l'utilisation du procédé à colorant visible, la haute visibilité du colorant en contraste avec l'arrière-plan de la pièce révèle l'emplacement des ouvertures Dans le procédé à agent de pénétration fluorescent, l'illumination de la

surface avec une lumière ultraviolette provoque la fluores-

cence aux emplacements o l'agent de pénétration a été ramené à la surface de la pièce Les limitations de ce procédé sont que les indications doivent avoir une ouverture suffisamment grande sur la surface de la pièce pour que l'agent de

pénétration y soit entraîné par effet capillaire.

Alors qu'une micro-retassure proche de la surface peut être interconnectée microscopiquement avec la surface de la pièce, les connexions superficielles sont si petites que l'effet capillaire ne peut entraîner l'agent de pénétration dans les ouvertures microscopiques, c'est-à-dire que les ouvertures sont au-delà des possibilités de ce procédé

d'inspection.

Même lorsque les ouvertures microscopiques sont suffi-

samment grandes pour permettre l'entrée de l'agent de pénétration, l'indication donnée par cet agent ne peut

souvent être distinguée des autres indications, non appro-

priées, qu'on peut attribuer à la rugosité en surface de la -5- pièce, ce qui se traduit par une technique d'inspection qui n'est pas fiable dans la détection d'un défaut pouvant dégrader la durée de vie d'une pièce lorsqu'elle est utilisée

dans des applications critiques.

L'inspection ultrasonique est un procédé qu'on a

utilisé avec succès pour détecter des indications en sous-

surface dans des matériaux L'inspection ultrasonique utilise un faisceau sonore de haute fréquence qui est transmis pour pénétrer dans la pièce en examen Dans le procédé à échos pulsés couramment utilisé, de courtes salves d'énergie ultrasonore sont introduites dans la pièce en essai à des intervalles de temps réguliers Si les impulsions rencontrent une surface réfléchissante, par exemple une paille dans la

pièce, une partie ou la totalité de l'énergie est réfléchie.

La proportion de l'énergie réfléchie dépend hautement des dimensions de la surface réfléchissante par rapport à celles du faisceau incident Le sens du faisceau réfléchi (écho) dépend de l'orientation de la surface réfléchissante par

rapport au faisceau incident.

On surveille l'énergie réfléchie en ce qui concerne la quantité de l'énergie initiale des impulsions ainsi que le retard entre la transmission de l'impulsion initiale et la réception de l'impulsion d'écho En utilisant la réflexion de l'énergie sonore par la surface arrière de la pièce comme point de référence, référence tant de temps que d'intensité sonore réfléchie, on peut détecter les pailles et les

localiser à certaines profondeurs à l'intérieur du matériau.

Les limitations de ce procédé comprennent une inapti-

tude à détecter des discontinuités du matériau qui sont

présentes dans une couche peu profonde se trouvant immédiate-

ment au-dessous de la surface Cette zone, qu'on appelle généralement zone dans le champ proche, est généralement l'emplacement des micro-retassures La détection des pailles, ou indications, est en outre compliquée par le "bruit" de fond excessif dû à la réflexion des ondes sonores sur les -6 -

grains grossiers en général présents dans les pièces coulées.

Ce bruit de fond masque les réflexions dues aux indications réelles, ce qui rend impraticables les procédés ultrasonores

pour l'inspection des pièces coulées.

L'inspection radiographique est un autre procédé qu'on

utilise pour détecter les discontinuités en sous-surface.

Dans ce procédé d'inspection, la pièce est exposée à un rayonnement électromagnétique de courte longueur d'onde Les discontinuités peuvent atre des zones soit o il y a un manque de matériau, et o par conséquent il existe une variation d'épaisseur, par exemple une porosité ou des fendillements, soit o il y a une différence de densité, par exemple des inclusions A cause de différences dans la caractéristique d'absorption de la pièce aux endroits o ces discontinuités sont présentes, des quantités différentes du rayonnement traversent la pièce Ces quantités différentes du rayonnement, lorsqu'on les enregistre ou qu'on les observe

avec des détecteurs, par exemple avec une pellicule radiogra-

phique, reflètent la présence de la discontinuité Parmi les

limitations de l'inspection radiographique, il y a l'inapti-

tude à détecter les microporosités, les micro-retassures et les microfissures sauf si elles sont suffisamment isolées pour provoquer une densité différentielle suffisante pour représenter un défaut grossier pouvant atre détecté De plus, la réfraction du faisceau par les grains provoque des indications fausses sur le film radiographique qui ont tendance à masquer les défauts réels Une autre limitation comprend les difficultés rencontrées dans l'inspection des

pièces ayant des formes complexes et des épaisseurs varia-

bles Enfin, cette technique est relativement chère.

Etant donné qu'il n'existe aucun procédé non-destruc-

tif fiable pour détecter les micro-retassures à proximité de la surface, présentes dans les pièces en métal obtenues par coulage de précision, il est généralement nécessaire de tabler sur des techniques destructives pour obtenir des 7 - pièces pouvant être utilisées dans les turbines à gaz Par cette technique, des pièces représentatives sont l'objet d'un sectionnement après compression isostatique à chaud et sont interrogées quant à la présence de micro-retassures proches de la surface L'interrogation implique la localisation des défauts, dont les microretassures et l'évaluation de ces défauts en conformité avec des normes d'acceptation bien connues La présence de micro-retassures à proximité de la surface, en nombre supérieur à des quantités prédéterminées, dans les parties sectionnées indique en général la nécessité de modifier le procédé de coulage de précision pour la fabrication des pièces Mais, en général, on peut interroger avec cette technique un pourcentage inférieur à environ 5 % du

volume d'une coulée quelconque.

Toutes les techniques d'inspection mentionnées ci-

dessus, dont le sectionnement, nécessitent la compréhension de la technique du coulage de précision de manière à tenter d'identifier les emplacements des micro-retassures, et de les

isoler, dans des pièces obtenues par coulage de précision.

Ces emplacements suspectés sont alors interrogés de manière

destructive, par sectionnement, ou de manière non destruc-

tive, pour rechercher la présence d'indications Cependant, seul le sectionnement s'est avéré efficace pour localiser la présence de microretassures à proximité de la surface Mais l'opération obtenue par le sectionnement est limitée à la section transversale qui est réellement interrogée Le caractère aléatoire du procédé de coulage se traduit aussi par une variation imprévisible de l'emplacement et de la sévérité des micro-retassures à proximité de la surface entre

une pièce coulée et une autre.

Comme les techniques d'essais non-destructifs ne sont pas en mesure de trouver les micro-retassures à proximité de la surface, et étant donné que le sectionnement n'est pas assez fiable pour avoir l'assurance que des pièces coulées,

fabriquées ultérieurement, seront exemptes de micro-retas-

8 - sures à proximité de la surface, il n'existe aucun procédé permettant d'avoir la certitude que des pièces obtenues par coulée de précision, destinées aux applications critiques

dans les moteurs à turbine, ne présenteront pas des micro-

retassures à proximité de la surface. La présente invention a pour objet un procédé fiable pour produire des pièces complexes obtenues par coulage de

précision qui soient sensiblement exemptes de micro-retas-

sures non détectées, et qui conviennent dans des applications

structurelles pour les moteurs à turbine.

La présente invention a pour autre objet un procédé pour enlever uniformément une petite quantité du matériau superficiel exposé d'une pièce en superalliage obtenue par coulage de précision, après compression isostatique à chaud, afin de révéler les micro-retassures proches de la surface qui n'ont pas été éliminées par la compression isostatique à chaud La micro-retassure peut être identifiée et localisée pour évaluation et élimination par les méthodes classiques d'essais non destructifs tels que le test avec agent de

pénétration.

Dans la présente description, on entend par micro-

retassure en sous-surface, des vides non reliés à la surface

des pièces coulées, formées pendant le processus de solidifi-

cation à la suite du rétrécissement du métal liquide Pendant la solidification du métal liquide, son refroidissement et sa contraction, des vides sont formés et sont emprisonnés à des emplacements situés entre des dendrites entrelacées, isolées,

du métal d'alimentation à l'état fondu.

Dans la présente description, on entend par micro-

retassure à proximité de la surface des vides formés pendant le processus de solidification, situés à proximité de la surface des pièces coulées, généralement à moins d'environ 0,5 millimètre de la surface, et reliés microscopiquement à la surface des pièces, qui par conséquent ne peuvent être

éliminés par compression isostatique à chaud.

Dans la description, une micro-retassure désigne tant

9 -

une micro-retassure proche de la surface qu'une micro-

retassure en sous-surface.

Selon les objets précédents, la présente invention

prévoit un procédé pour sensiblement éliminer les micro-

retassures dans une pièce obtenue par coulage de précision, comprenant les étapes consistant à comprimer isostatiquement à chaud la pièce coulée de manière à éliminer les vides internes, y compris les micro-retassures en sous-surface, ne débouchant pas dans la surface de la pièce coulée; à nettoyer

la surface de la pièce coulée ayant été comprimée isostati-

quement à chaud afin d'éliminer les corps étrangers de la surface de la pièce coulée; puis à enlever de façon essentiellement uniforme assez de métal de la surface de la pièce coulée, d'o la mise à nu des microretassures latentes proches de la surface La surface de la pièce coulée, préparée de cette manière, peut alors être évaluée quant aux microretassures mises à nu en conformité avec des procédés

connus utilisant des critères d'acceptation établis.

Un aspect important de la présente invention est la compression isostatique à chaud de la pièce obtenue par coulage de précision afin de produire une pièce coulée exempte de micro-retassures en sous-surface comme première étape du procédé permettant de détecter et d'éliminer les micro-retassures L'opération de compression isostatique à chaud consolide la pièce, ayant pour effet d'éliminer les gros défauts en sous-surface par consolidation, tels que les macro-retassures dues aux vides, les fendillements et la porosité aux gaz, mais laissant inaltérés les défauts reliés à la surface, dont les micro-retassures à proximité de la surface L'opération de compression isostatique à chaud a

également l'effet d'enlever toute micro-retassure en sous-

surface qui n'est pas interconnectée microscopiquement à la surface L'opération de compression isostatique à chaud s'est avérée inefficace dans l'élimination des micro-retassures proches de la surface qui sont connectés microscopiquement à - la surface de la pièce car les ouvertures en surface, étant microscopiques, sont trop petites pour permettre l'entrée de l'agent de pénétration Cela empêche une détection réussie avec les techniques générales utilisant des agents de pénétration Cependant, les ouvertures microscopiques sont suffisamment grandes pour permettre l'entrée du gaz à haute pression employé dans l'opération de compression isostatique

à chaud.

Après l'opération de compression isostatique à chaud, la pièce obtenue par coulage de précision est soumise à une opération dans laquelle la surface coulée de la pièce est enlevée de manière uniforme Cet enlèvement peut être effectué par toute technique connue d'enlèvement des métaux, par exemple par meulage ou par usinage Comme les pièces peuvent avoir des formes complexes, le meulage et l'usinage

sont souvent coûteux ou impossibles à cause de leur configu-

ration, et le procédé préféré pour l'enlèvement des matériaux de la surface consiste à faire appel à un moyen chimique, par exemple à l'immersion de la pièce dans un réactif approprié qui enlève de manière essentiellement uniforme la surface

brute de coulée de la pièce jusqu'à une profondeur contrôlée.

Les réactifs préférés sont des solutions acides aqueuses qui réagissent avec la surface de la pièce métallique coulée pour enlever la matière Ce procédé est appelé enlèvement par voie

chimique.

On peut nettoyer la pièce en utilisant les techniques standard de la fonderie avant l'enlèvement de la surface coulée jusqu'à une profondeur contrôlée Après l'enlèvement par voie chimique, il est nécessaire de nettoyer la surface de la pièce pour éliminer les corps étrangers et/ou les produits chimiques résiduels avant de procéder à l'inspection

de la pièce coulée pour rechercher la présence de micro-

retassures L'inspection de la pièce coulée peut s'effectuer par des techniques visuelles, par des techniques aidées visuellement, par exemple avec des verres grossissants ou des il - microscopes Cependant, les procédés ayant la préférence sont

ceux faisant appel à une inspection par agent de pénétration.

Bien qu'on puisse utiliser soit le procédé utilisant un colorant de pénétration visible soit le procédé avec agent de pénétration fluorescent, on préfére ce dernier Naturelle- ment, cette étape de nettoyage peut être, en option, exécutée à titre de partie d'un mode opératoire standard utilisant un

agent de pénétration plutôt que comme étape indépendante.

Dès que la micro-retassure a été identifiée et localisée, on peut l'évaluer par comparaison avec des normes connues et, si nécessaire, l'enlever des zones affectées localement en employant des techniques standard d'élimination telles que le meulage ou l'usinage En fonction de la profondeur de la partie à enlever et de l'application envisagée pour la pièce, il peut s'avérer nécessaire de réparer la pièce avec des techniques de soudage bien connues

du technicien.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement: figure 1, des courbes de la fatigue oligocyclique indiquant l'effet néfaste de micro-retassures proches de la surface sur la durée de vie d'une pièce obtenue par coulage

de précision en Inconel 718 (IN-718) ayant subi une compres-

sion isostatique à chaud, figure 2, une vue de dessus d'une pièce typique obtenue par coulage de précision, représentant la surface originale coulée et la surface après enlèvement par voie

chimique jusqu'à une profondeur d'environ 0,5 mm.

Figure 3, une vue en coupe prise le long de la ligne A-A de la figure 2, représentant une poche typique d'une

micro-retassure proche de la surface.

Selon la présente invention, on prévoit un procédé pour enlever des microretassures dans des pièces obtenues par coulage de précision en éliminant les micro-retassures en sous-surface et en détectant ensuite, et si nécessaire en les 12 - éliminant, les micro-retassures proches de la surface et, plus particulièrement, pour enlever des micro-retassures dans des pièces en superalliage obtenues par coulage de précision du type utilisé dans les moteurs à turbine, en éliminant les micro-retassures en sous-surface et ensuite en détectant, et si nécessaire en les éliminant, les micro-retassures proches

de la surface.

Une micro-retassure constitue un défaut inhérent dans les pièces coulées Une retassure se produit généralement pendant la solidification d'une pièce coulée dans les zones o il y a une fourniture inadéquate en métal par le système

d'alimentation et de disposition des masselottes pour compen-

ser les retassures naturelles du métal pendant la solidifica-

tion et le refroidissement La présence d'une retassure peut

se traduire par de grands vides, ou par une petite micro-

porosité, et la retassure peut être située bien au-dessous de la surface de la pièce coulée ou immédiatement au-dessus de la surface coulée Pendant la solidification, alors que le métal entre dans le moule, le métal en contact avec sa surface gèle, formant une peau Des dendrites avancent à partir de la peau, croissant dans le métal fondu alors que la solidification se produit Pendant le gel du métal, il se produit une contraction Lorsque la solidification a lieu dans une zone o les dendrites sont entrelacées mais en laissant du métal liquide entre elles, et o aucun trajet n'existe pour permettre au métal liquide de s'écouler jusque dans cette zone pendant la solidification et la contraction, des vides sont créés et il se produit une retassure La présente invention a pour objet d'éliminer les retassures ne débouchant pas dans la surface de la pièce coulée, et de détecter les retassures qui sont reliées microscopiquement à la surface de la pièce coulée et situées juste audessous de cette surface Bien que la présente invention soit efficace pour détecter et éliminer les micro-retassures dans des pièces coulées par la plupart des procédés de coulage car le 13 - mécanisme de la formation des micro-retassures est commun à la plupart de ces procédés, elle s'est avérée très utile dans la détection et l'élimination des micro- retassures dans des pièces coulées par le procédé de coulage de précision, et en particulier dans les super-alliages coulés par ce procédé. La présence de micro-retassures à proximité de la surface peut avoir de graves effets sur une pièce coulée, selon l'utilisation de la pièce Comme représenté en figure 1, la présence de micro-retassures à proximité de la surface peut diminuer sérieusement la durée de vie d'une pièce soumise à des contraintes cycliques alternantes La figure 1 indique la diminution de la durée de vie d'une pièce coulée en N-718 ayant été l'objet d'une compression isostatique à chaud, présentant des micro-retassures à des contraintes diverses, ainsi que la plage nominale de la durée de vie pour cette même pièce La sévérité de la micro-retassure augmente à partir de la classe 10, limite dimensionnelle la plus faible permettant la détection par inspection par agent

pénétrant, jusqu'à la classe 40 L'élimination d'une micro-

retassure permet au concepteur d'utiliser une pièce dans des applications soumises à des contraintes alternantes plus élevées, sans diminution du nombre des cycles de fatigue, d'o des moteurs plus efficaces En variante, les pièces exemptes de micro-retassures et subissant les mêmes niveaux de contraintes alternantes que des pièces renfermant des micro-retassures peuvent supporter davantage de cycles de fatigue avant que le concepteur n'ait à s'inquiéter des défaillances De nouveau en liaison avec la figure 1, par exemple, une pièce ayant une micro-retassure de la classe 40 et soumise à une contrainte alternante d'environ 280 M Pa aura

une durée de vie nominale d'environ 2000 cycles de fatigue.

Cependant, une pièce exempte de micro-retassure et soumise aux mêmes valeurs de contraintes aura une durée de vie nominale d'environ 80000 cycles de fatigue Une telle amélioration de la durée de vie des pièces signifie un 14 - entretien moins important et un remplacement moins fréquent des pièces, et par conséquent des coûts de fonctionnement

plus faibles pour les moteurs à turbine.

A ce jour, il n'existe aucun procédé non destructif fiable pour détecter les micro-retassures à proximité de la surface des pièces en superalliage à base de nickel obtenues

par coulage de précision On détecte généralement une micro-

retassure proche de la surface en procédant à un sectionne-

ment des pièces coulées après la compression isostatique à chaud et en examinant les pièces quant à la présence de micro-retassures Comme ce procédé est forcément destructif, il rend inutilisable la pièce inspectée Ainsi, on doit

employer des méthodes d'échantillonnage Un autre inconvé-

nient est que l'inspection par sectionnement ne permet pas l'interrogation de la totalité de la pièce, mais seulement des surfaces limites obtenues par ce sectionnement Ainsi, alors qu'une surface sectionnée peut ne pas révèler la

présence d'une micro-retassure, une zone immédiatement conti-

guë peut présenter une micro-retassure importante, conduisant à une conclusion erronée due au choix de l'emplacement du sectionnement Bien que l'emplacement choisi se trouve dans une zone dont on sait qu'elle est àmême de présenter une micro-retassure, on n'a aucune assurance qu'une section particulière ne présentera pas une micro-retassure, ou, si

celle-ci est présente, que la micro-retassure sera représen-

tative de celles produites par le procédé particulier de coulage. Le traitement courant de ces pièces nécessite une compression isostatique à chaud à des températures aussi

élevées que 1160 'C et des pressions aussi hautes que 105 M Pa.

Le but de l'opération de compression isostatique à chaud est de durcir les défauts présents au-dessous de la surface qui ne sont pas reliés à la surface, tels que porosités aux gaz, vides et fendillements rencontrés dans les pièces obtenues par coulage de précision Cependant, une telle opération n'a - pas d'effet sur les défauts débouchant dans la surface de la

pièce coulée.

On a constaté que l'opération de compression isosta-

tique à chaud est efficace pour éliminer les micro-retassures toutes les fois que celles-ci sont situées suffisamment au- dessous de la surface de la pièce coulée pour qu'il n'y ait aucune liaison microscopique avec cette surface Cependant, l'opération de compression isostatique à chaud s'est avérée inefficace dans l'élimination des micro-retassures proches de la surface, se trouvant immédiatement au-dessous de la

surface de la pièce coulée, qui sont connectées microscopi-

quement à cette surface.

Même si les connexions microscopiques sont d'une ampleur si faible qu'elles sont impénétrables par un fluide, par exemple par un colorant pénétrant, tout en étant indétectables par un examen visuel, elles sont suffisamment grandes pour permettre l'entrée d'un gaz sous la haute pression de l'opération de compression isostatique à chaud, ce qui rend cette opération inefficace dans la consolidation de ces micro-retassures Le résultat net de l'opération de compression isostatique à chaud est de n'enlever que les défauts en sous-surface qui ne sont pas par ailleurs reliés à la surface, dont les micro-retassures en sous-surface, les

porosités aux gaz et les fendillements.

La présente invention a pour objet un procédé pour détecter les microretassures restant à proximité de la surface dans des superalliages à base de nickel obtenus par coulage de précision Une pièce typique obtenue par coulage de précision, similaire à celle qu'on emploie dans les moteurs à turbine, est décrite en figure 2 après l'opération de coulage La pièce est soumise à l'opération typique de compression isostatique à chaud du type décrit ci-dessus pour

enlever certains défauts internes tels que les micro-

retassures en sous-surface, les porosités aux gaz et les fendillements Cependant, une micro-retassure proche de la surface, ayant des interconnexions microscopiques avec la 16 - surface, comme représenté en figure 3, reste immédiatement au-dessous de la surface de la pièce coulée après l'opération de compression isostatique à chaud La surface de la pièce coulée est nettoyée en conformité avec des pratiques standard de fonderie Un moyen de nettoyage mécanique peut être nécessaire pour éliminer les corps étrangers adhérants étroitement. De manière à mettre à nu la micro-retassure proche de la surface, on enlève de manière uniforme une quantité suffisante de la couche superficielle, c'est-à-dire de la surface de la pièce coulée Le procédé préféré pour accomplir l'enlèvement uniforme de la couche superficielle consiste à immerger la totalité de la pièce coulée dans un réactif approprié qui réagira de manière à dissoudre le métal d'une façon contrôlée Le réactif préféré est un acide aqueux Les acides aqueux spécifiques seront fonction de l'alliage particulier dans lequel on doit enlever le métal De manière à obtenir un enlèvement uniforme du métal de la surface de la pièce, en particulier dans le cas de pièces complexes, il peut être nécessaire d'agiter l'acide ou de manipuler la pièce alors qu'elle est immergée dans l'acide, ou bien de

procéder aux deux opérations.

En plus de l'enlèvement uniforme du métal d'une pièce,

la solution acide aqueuse spécifique choisie pour un superal-

liage spécifique à base de nickel ne doit pas attaquer le reste de la surface de façon inter-granulaire On définit ici par attaque intergranulaire une attaque préférentielle des limites des grains de la surface de la pièce jusqu'à une

profondeur de 0,01 mm ou davantage Une attaque inter-

granulaire a tendance à affaiblir une pièce, en particulier dans le cas o elle est utilisée pour des applications o elle sera soumise à des contraintes élevées Une telle attaque sélective signifie qu'une phase est attaquée de façon préférentielle avec ou sans formation de piqûres ou de stries, se traduisant par une pièce présentant une surface 17 irréguliere.

La quantité de métal qui doit être enlevée uniformé-

ment de la surface des pièces coulées en superalliage à base de nickel qu'on utilise généralement dans les turbines, dans le but de détecter les micro-retassures proches de la

surface, est au moins de 0,1 mm Lorsqu'une quantité insuffi-

sante de métal est enlevée de la surface, la micro-retassure reste nondétectée La quantité préférée pour l'enlèvement du métal est comprise entre environ 0,2 et 0,5 mm Bien qu'on puisse enlever davantage de métal, il s'est avéré inutile d'avoir un enlèvement supplémentaire pour mettre à nu une

micro-retassure proche de la surface.

Lorsqu'on enlève du métal de la surface de la pièce coulée en utilisant la technique préférée d'enlèvement par voie chimique de la présente invention, la quantié du métal enlevé peut être contrôlée en faisant varier la concentration du bain d'acide, la composition du bain d'acide, le temps de séjour de la pièce à l'intérieur du bain, la température de

l'acide, ou en utilisant une combinaison de ces techniques.

Bien qu'on puisse utiliser diverses concentrations et compo-

sitions d'acides, le contrôle le plus efficace pour l'enlève-

ment du métal de la surface de pièces en IN-718 et de pièces René 220 C obtenues par coulage de précision consiste à utiliser des solutions, en pourcent en volume, d'environ 62 % à environ 73 % de chlorure ferrique ayant une densité de 1,405, d'environ 8 % à environ 12 % d'acide nitrique ayant une densité d'environ 1,405, d'environ 10 % à environ 15 % d'acide fluorhydrique ayant une densité de 1,405, le reste étant constitué d'eau et des impuretés accidentelles, et à une température comprise entre environ 500 C et environ 650 C pendant une durée comprise entre environ 5 minutes et environ minutes La quantité du métal enlevé de la surface des pièces est dans ces conditions comprise entre environ 0,1 et

environ 0,7 mm On peut utiliser des températures, concentra-

tions, ou durées différentes des valeurs précédentes, mais 18 - cela peut se traduire par des vitesses d'enlèvement du matériau qui sont indésirables car trop rapides ou trop lentes Après le temps de séjour approprié dans la solution

acide, on enlève la pièce coulée de cette solution.

Après l'enlèvement du métal de la surface de la pièce coulée par voie chimique, on rince la pièce ou on l'immerge dans l'eau propre pour neutraliser et éliminer l'acide et les résidus On sèche alors la pièce à une température supérieure à environ 120 'C, mais une gamme préférée de température est

comprise entre environ 870 'C et environ 11750 C De préféren-

ce, on exécute le chauffage sous vide à une pression ne dépassant pas 130 Pa, pendant une durée comprise entre environ quinze minutes et environ soixante minutes, afin

d'enlever tout liquide restant.

A la suite de l'enlèvement d'au moins 0,1 mm du matériau de la surface, il est possible de détecter les

microstructures proches de la surface qui étaient antérieure-

ment indétectables en utilisant des techniques standard d'inspection A cause de l'emplacement et des dimensions de

la micro-retassure, seules certaines méthodes non-destructi-

ves sont disponibles de manière générale Parmi ces procédés,

il y a l'inspection visuelle Cependant, comme la micro-

retassure est microscopique, toute technique d'inspection visuelle doit être renforcée par un moyen de grossissement, par exemple par un verre grossissant ou un microscope Aussi,

les procédés préférés pour la localisation d'une micro-

retassure en sous-surface après enlèvement par voie chimique sont les méthodes d'inspection par agent pénétrant Bien qu'on puisse employer le procédé soit par colorant visible

soit par agent fluorescent, ce dernier a la préférence.

Les exemples spécifiques suivants décrivent les maté-

riaux et procédés envisagés dans la présente invention Ils ne sont donnés qu'à titre d'illustration et ne doivent pas

btre considérés comme limitatifs.

19 -

Exemple 1.

On soumet une pièce obtenue par coulage de précision en Inconel 718 (IN718) ayant comme composition nominale, en pourcentage en poids, environ 19 % de chrome, environ 52,5 % de nickel, environ 3 % de molybdène, environ 0,9 % de columbium + tantale, environ 0,9 % de titane, environ 0, 5 % d'aluminium, le reste étant constitué de fer et des impuretés accidentelles, après nettoyage en utilisant des techniques standard de fonderie, à une compression isostatique à chaud en faisant appel à des techniques standard à des températures d'environ 11500 C et à une pression d'environ 105 M Pa pour enlever la micro-retassure en sous- surface On immerge alors la totalité de la pièce dans un bain acide ayant la composition suivante, en pourcentage en volume: environ 67,5 % de chlorure ferrique ayant une densité d'environ 1,406, environ 10 % d'acide nitrique avant une densité d'environ 1,405, environ 12,5 % d'acide fluorhydrique ayant une densité de 1,405, le reste étant de l'eau plus les impuretés accidentelles, le bain étant maintenu à une température d'environ 570 C Bien qu'on puisse maintenir la température par un moyen de régulation quelconque, elle l'est par des résistances électriques chauffantes se trouvant à l'extérieur du bain, qui conduisent par convexion la chaleur jusque dans le bain On surveille la

température en utilisant un thermomètre standard de labora-

toire On agite doucement le bain acide avec un dispositif en forme de ventilateur constitué d'un matériau résistant à l'acide et entraîné par un moteur électrique extérieur Au bout d'environ 10 à environ 15 minutes, on enlève la pièce du bain acide On peut augmenter la quantité du métal enlevé ou bien la diminuer en faisant varier la durée du séjour dans le bain, mais l'expérience montre que le métal est enlevé à une cadence d'environ 0,02 à 0,04 mm par minute On extrait la pièce et l'immerge immédiatement en totalité dans de l'eau maintenue à la température ambiante pendant une durée d'environ 1 à environ 5 minutes pour neutraliser et enlever tout acide résiduel On agite doucement l'eau en utilisant un - dispositif en forme de ventilateur constitué d'un matériau résistant à l'acide et entraîné par un moteur électrique extérieur On fait alors subir à la pièce un cycle thermique sous vide à une ambiance d'environ 130 Pa en la plaçant dans un four maintenu à une température comprise entre environ 1040 'C et environ 1060 'C pendant une heure environ Ensuite, on interroge la pièce quant à la présence de microretassures en utilisant des techniques standard avec agent pénétrant fluorescent. Exemple 2 On soumet une pièce en René 220 C ayant la composition nominale suivante, en pourcentage en poids: environ 19 % de chrome, environ 3,2 % de molybdène, environ 5,2 % de columbium, environ 3, 2 % de tantale, environ 0,5 % d'aluminium, environ 1,0 % de titane, environ 12 % de cobalt, le reste étant du nickel plus les impuretés accidentelles, après nettoyage avec des techniques classiques de fonderie, à une compression isostatique à chaud, en faisant appel à des techniques standard à une température d'environ 11500 C et une pression

d'environ 105 M Pa pour enlever la micro-retassure en sous-

surface On immerge alors complètement la pièce dans un bain acide ayïant la composition suivante, en pourcentage en volume environ 67,5 % de chlorure ferrique ayant une densité de 1,405, environ 10 % d'acide nitrique ayant une densité de 1,405, environ 12,5 % d'acide fluorhydrique ayant une densité d'environ 1,405, le reste étant de l'eau plus des impuretés accidentelles, le bain étant maintenu à une température d'environ 570 C Bien qu'on puisse maintenir la température avec un moyen de régulation quelconque, elle l'est avec des éléments chauffants électriques situés à l'extérieur du bain, mais conduisant la chaleur par convection jusqu'au bain On surveille la température à l'aide d'un thermomètre standard de laboratoire On agite doucement le bain acide avec un dispositif en forme de ventilateur en matériau résistant à l'acide entraîné par un moteur électrique extérieur Au bout 21 - d'environ 10 à environ 15 minutes, on enlève la pièce du bain acide On peut augmenter ou diminuer la quantité du métal enlevé en faisant varier la durée de sa présence dans le bain, mais l'expérience montre qu'on enlève le métal à une cadence comprise entre environ 0,02 et 0,04 mm par minute On enlève la pièce et l'immerge aussitôt en totalité dans de l'eau maintenue à la température ambiante pendant environ une à environ cinq minutes de manière à neutraliser et éliminer tout acide résiduel On agite doucement l'eau en utilisant un dispositif en forme de ventilateur constitué d'un matériau résistant à l'acide qu'on entraîne par un moteur électrique extérieur On fait subir alors à la pièce un cycle thermique sous vide dans une ambiance d'environ 130 Pa en la plaçant dans un four maintenu à une température comprise entre

environ 1080 et environ 11050 C pendant une heure environ.

Alors, on interroge la pièce quant à la présence de micro-

retassures en faisant appel à des techniques standard avec

agent pénétrant fluorescent.

La présente invention fournit un procédé fiable pour produire des pièces complexes obtenues par coulage de

précision qui sont exemptes de micro-retassures et convien-

nent pour être employées dans les structures de moteurs à turbine En enlevant de façon uniforme une petite quantité du matériau exposé de la surface coulée de la pièce après sa compression isostatique à chaud, une micro-retassure non éliminée par la compression isostatique à chaud est mise à nu Cette micro-structure proche de la surface, mise à nu,

précédemment indétectable sauf par des techniques destruc-

tives, peut alors être localisée et faire l'objet d'une

évaluation quant à son acceptabilité ou à son élimination.

L'enlèvement d'une micro-retassure dans des pièces obtenues par coulage de précision permet au concepteur

d'utiliser ces pièces dans des applications o les contrain-

tes élevées dues au fonctionnement de moteurs plus efficaces, ou dans des applications ayant des durées de vie nominale plus longues, se traduisant par un entretien moins important

ainsi que par un remplacement moins fréquent des pièces.

22 -

Claims (11)

REVENDICATIONS

1 Procédé pour détecter et éliminer sensiblement une micro-retassure dans une pièce coulée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: comprimer isostatiquement à chaud la pièce coulée afin d'éliminer les vides internes et les micro-retassures en sous-surface ne débouchant pas dans la surface de la pièce; nettoyer la surface de la pièce coulée de manière à éliminer les corps étrangers, et alors, enlever d'une manière essentiellement uniforme suffisamment de métal de la surface de la pièce coulée pour

mettre à nu une micro-retassure proche de la surface.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à enlever de façon essentiellement uniforme du métal de la surface de la pièce coulée comprend l'étape consistant à immerger la pièce dans un réactif approprié. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à enlever de façon essentiellement uniforme du métal de la surface de la pièce coulée comprend les opérations consistant à: immerger la pièce coulée dans un réactif approprié pendant environ cinq à environ quarante minutes; rincer la pièce coulée dans de l'eau propre, et sécher la pièce à une température supérieure à environ

1 200 C.

4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de séchage de la pièce coulée est exécutée dans un environnement sous vide maintenu à une pression non supérieure à environ 130 Pa, à une température d'environ 870 VC à environ 11750 C, pendant une durée d'environ quinze

minutes à environ soixante minutes.

Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce

que le réactif est une solution acide aqueuse.

6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce 23 - que la solution acide aqueuse comprend, en pourcentage en volume, entre environ 62 % et environ 73 % de chlorure ferrique ayant une densité de 1,405, entre environ 8 % et environ 12 % d'acide nitrique ayant une densité de 1, 405, entre environ 10 % et environ 15 % d'acide fluorhydrique ayant une densité de

1,405, le reste étant de l'eau et des impuretés acciden-

telles. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la solution acide aqueuse comprend, en pourcentage en volume, environ 67,5 % de chlorure ferrique ayant une densité de 1,405, environ 10 % d'acide nitrique ayant une densité de 1,405, environ 12,5 % d'acide fluorhydrique ayant une densité

de 1,405, le reste étant de l'eau et des impuretés acciden-

telles. 8 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la solution acide aqueuse est maintenue à une température comprise entre environ 500 C et environ 650 C. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la solution acide est maintenue à une température d'environ 570 C. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce coulée est en superalliage obtenue par coulée

de précision.

11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pièce coulée en superalliage obtenue par coulage de précision comprend l'Inconel 718 ayant une composition nominale, en pourcentage en poids, d'environ 19 % de chrome, d'environ 52,5 % de nickel, d'environ 3 % de molybdène, d'environ 4,9 % de columbium + tantale, d'environ 0,9 % de titane, d'environ 0,5 % d'aluminium, le reste étant du fer et

des impuretés accidentelles.

12 Procédé selon la revendication 10, dans lequel la pièce coulée en superalliage obtenue par coulage de précision comprend le René 220 C ayant une composition nominale, en pourcentage en poids, d'environ 19 % de chrome, d'environ 3,2 % 24 - de molybdène, d'environ 5,2 % de columbium, d'environ 3,2 % de tantale, d'environ 0,5 % d'aluminium, d'environ 1,0 % de titane, d'environ 12 % de cobalt, le reste étant du nickel et des impuretés accidentelles, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: comprimer isostatiquement à chaud la pièce coulée afin d'éliminer les vides internes et les micro-retassures en sous- surface ne débouchant pas à la surface de la pièce coulée; nettoyer la surface de la pièce coulée pour éliminer les corps étrangers; alors, enlever de manière essentiellement uniforme du métal de la surface de la pièce coulée afin de mettre à nu les micro-retassures proches de la surface; et alors, inspecter la surface de la pièce coulée pour

rechercher les micro-retassures.

13 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en

ce que l'étape consistant à enlever de manière essentiel-

lement uniforme du métal de la surface de la pièce coulée

comprend l'enlèvement d'au moins 0,lmm de métal.

14 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à enlever de façon essentiellement uniforme du métal de la surface de la pièce coulée comprend

l'enlèvement d'environ 0,2 à environ 0,5 mm de métal.

15 Article obtenu par coulage de précision, sensible-

ment exempt de micro-retassures, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure comprimée isostatiquement à chaud, sensiblement exempte de vides internes et de microstructures en sous-surface ne débouchant pas sur la surface de la pièce coulée, dans laquelle environ 0,2 à environ 0, 5 mm de la surface de la pièce ont été enlevés de façon sensiblement uniforme. 16 Article selon la revendication 15, caractérisé en

ce qu'il est un superalliage à base de nickel.

- 17 Article selon la revendication 16, caractérisé en

ce qu'il est en Inconel 718.

18 Article selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il est en René 220 C.