PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE EN TITANE AVEC FORGEAGE INITIAL DANS LE DOMAINE

PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE EN TITANE AVEC FORGEAGE INITIAL DANS LE DOMAINE β

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'une pièce en alliage de titane. Elle concerne plus particulièrement un procédé comprenant

- un chauffage de ladite pièce à une température Ti jusqu'à ce que la température de ladite pièce soit sensiblement homogène, une opération de forgeage initiai de la pièce avec un taux de déformation supérieur à 0,7, suivi immédiatement par une trempe de la pièce jusqu'à température ambiante,

- un chauffage de la pièce à une température T ₂ , suivi par une opération de forgeage final de la pièce à la température T ₂ puis immédiatement par une trempe de cette pièce, l'opération de forgeage final étant apte à donner à Ia pièce sa forme finale.

Les alliages de titane sont utilisés dans des applications de pointe, notamment les turbines aéronautiques, pour fabriquer certaines pièces soumises à des contraintes importantes et à des températures élevées. Le titane pur existe sous deux formes cristallographiques : Ia phase α, hexagonale, qui existe à température ambiante, et la phase β, cubique centrée, qui existe au dessus de la température appelée β-transus (ou transus β), qui est égale à 883 ⁰ C pour le titane pur. Sur les diagrammes de phase d'alliages de titane alliés à d'autres éléments, on retrouve la phase β au dessus de la température β-transus, et en dessous de cette température un équilibre entre la phase β et la phase α dont les proportions dépendent des éléments d'alliage. La phase αβ est constituée d'un mélange de phase α et de phase β. Les éléments alliés ont notamment pour effet de faire varier la température β-transus autour de 883°C. La mise au point d'un alliage de titane possédant les propriétés voulues consiste notamment à sélectionner des éléments d'alliage, et à choisir le traitement thermomécanique subi par l'alliage.

Dans le cas des alliages αβ ou quasi α, tels que les alliages TÂ6V et Ti6242, l'alliage est donc en phase β au dessus de la température β- transus, et respectivement en état d'équilibre entre phases α et β ou essentiellement α à température ambiante. Dans la description qui suit, on appelle "domaine β" la zone de températures au-dessus de la température β-transus, et "domaine αβ" Ia zone de températures immédiatement en-dessous de la température β- transus dans laquelle les phases α et β sont en équilibre. Un procédé actuel de fabrication de pièces forgées en alliages de titane comprend par exemple plusieurs passes de forgeage qui sont toutes réalisées dans le domaine αβ (les températures Ti et T ₂ sont donc dans ce cas inférieures à la température β-transus). Une telle gamme de forgeage ne permet pas une recristallisation complète et un affinage de la macrostructure. En fin de gamme de forgeage il subsiste d'importantes colonies de nodules de phase α héritées de la billette (forme semi-finie) de l'alliage. On désigne par colonie de nodules α un groupe de plusieurs nodules ayant une orientation cristallographique préférentielle. Ces colonies contribuent à diminuer la tenue en fatigue de la pièce. Un autre procédé de fabrication de pièces forgées en alliages de titane comprend plusieurs passes de forgeage, ces passes étant réalisées dans le domaine αβ, sauf la dernière passe qui est réalisée dans le domaine β (la température Ti est donc dans ce cas inférieure à la température β-transus, et la température T ₂ est supérieure à la température β-transus). Cette dernière passe à une température plus élevée, permet une mise en forme plus aisée de la pièce. Cependant, cette dernière passe de forgeage ayant lieu à une température supérieure à la température de β-transus, toute structure microscopique de la pièce obtenue volontairement lors des passes antérieures est effacée. De plus les grains (structure microscopique) de l'alliage ont tendance à grossir et le taux de déformation de cette dernière passe de forgeage n'est souvent pas suffisamment important pour favoriser Ia recristallïsation et donc l'affinage des grains (puisque la pièce, avant cette ultime passe de forgeage, est proche de sa forme finale). Les grains étant plus gros, les propriétés mécaniques de la pièce sont diminuées.

De plus, lors de cette dernière passe de forgeage, on utilise des matrices de forme complexe (pour donner à la pièce sa forme finale), ce qui engendre une macrostructure inhomogène de Ia pièce (présence de zones faiblement déformées et de zones plus fortement déformées). Cette inhomogénéité engendre des variations importantes de tenue mécanique au sein de la pièce. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un procédé qui permette d'obtenir une pièce en alliage de titane possédant une structure plus homogène et de meilleures propriétés mécaniques, notamment de tenue en fatigue. Ce but est atteint grâce au fait que la température Ti est supérieure à la température β-transus de l'alliage, que la température T ₂ est inférieure à la température β-transus, que le seul chauffage de ladite pièce au-dessus de la température β-transus est le chauffage à la température Ti, que le forgeage initial précède ledit forgeage final, ce forgeage initial étant effectué dès que la température de ladite pièce est sensiblement homogène, et que la trempe est effectuée à une vitesse supérieure à 150°C/min.

Grâce à ces dispositions, le taux de déformation élevé de la pièce par forgeage à une température suffisamment élevée permet d'affiner la microstructure (obtention de grains β de taille plus petite) et d'effacer l'hérédité de la pièce. En effet, au dessus de la température β-transus, la pièce est constituée de grains de phase β sensiblement équiaxes, la pièce n'ayant pas encore été déformée puisqu'il s'agit du premier forgeage (l'épaisseur de la pièce est à ce stade sensiblement constante). Le forgeage déforme ces grains, qui recristallisent en grains β fins. Ces petits grains β recristallisent eux-mêmes en phase α aiguillée fine pendant la trempe après forgeage. La pièce ne comprend donc pas de nodules de phase α indésirables à température ambiante. Le fait de tremper ensuite la pièce suffisamment rapidement et de ne pas repasser plus tard dans le domaine β permet de conserver cette microstructure affinée, et d'éviter que les grains ne grossissent. En conséquence la microstructure de l'alliage est affinée et plus homogène. La tenue de la pièce à la fatigue est donc améliorée.

De plus, lors de la détection de défauts métallurgiques par ultrasons, le bruit de fond est diminué. En effet, ce bruit de fond est généré par les inhomogénéités dans la microstructure. La structure étant globalement plus homogène, il s'ensuit une diminution du bruit de fond, et donc une détection plus fine et plus aisée des défauts métallurgiques de la pièce.

L'invention concerne également une pièce aéronautique de révolution fabriquée par un procédé selon l'invention. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de Ia description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un diagramme schématique illustrant le procédé selon l'invention pour la fabrication d'une pièce en alliage de titane,

- la figure 2A est une microphotographie d'un alliage de titane chauffé en dessous de la température β-transus, - la figure 2B est un agrandissement de la microphotographie de la figure 2A,

- la figure 3A est une microphotographie d'un alliage de titane chauffé au dessus de la température β-transus,

- la figure 3B est un agrandissement de la microphotographie de la figure 3A,

- la figure 4A est une microphotographie d'un alliage de titane chauffé au dessus de la température β-transus puis déformé avec un taux de déformation de 1,

- la figure 4B est une microphotographie d'un alliage de titane chauffé au dessus de la température β-transus puis déformé avec un taux de déformation de 2,5.

Le procédé selon l'invention s'applique en général à une billette obtenue par une ou plusieurs fusions d'un alliage de titane, la coulée de cet alliage en un lingot, puis un forgeage selon un cycle thermodynamique donné.

La figure 1 montre sur un diagramme les étapes du procédé selon l'invention pour la fabrication d'une pièce en alliage de titane. Sur ce diagramme, l'axe des abscisses représente le temps t croissant (sans échelle), et l'axe des ordonnées représente la température T en degrés Celsius, croissante depuis la température ambiante T _A , La température de la pièce en fonction du temps t est représentée sur ce diagramme par une courbe. A l'étape 1, la pièce est chauffée à une température Ti qui est supérieure à la température β-transus pour cet alliage. La pièce est maintenue à cette température Ti suffisamment longtemps pour que la température de la pièce soit sensiblement homogène et égale à Ti (étape 1-1). Ce maintien en température est illustré par le plateau à l'étape 1. Il n'est pas nécessaire de maintenir Ia pièce trop longtemps à la température Ti, puisque la transformation de la phase α en phase β se produit dès le passage au dessus de la température β-transus. De plus, maintenir la pièce trop longtemps au dessus de la température β-transus entraine un grossissement des grains, qui est préjudiciable car il en résulte une diminution des performances mécaniques de la pièce finale. Le forgeage doit donc être réalisé dès que la température de la pièce est sensiblement homogène et égale à Ti, le plus tôt possible selon ce que permet le processus industriel. La différence de microstructure entre un alliage de titane chauffé au dessus de la température β-transus et le même alliage chauffé en dessous de la température β-transus est illustré sur les figures 2A et 2B d'une part, et 3A et 3B d'autre part.

La figure 2A est une photographie prise au microscope d'un alliage de titane chauffé à une température juste en dessous de la température β-transus, sans subir de forgeage (la température β-transus est pour cet alliage de 1001 ⁰ C). La figure 2B est un agrandissement de la zone de la figure 2A entourée d'un rectangle blanc. On remarque sur la figure 2B la présence dans l'alliage de structures orientées, en l'espèce de fibrages orientés constitués d'aiguilles 10 (grains allongés) sensiblement parallèles.

La figure 3A est une photographie prise au microscope du même alliage de titane que celui de la figure 2A, qui est chauffé à une température juste au dessus de la température β-transus, sans subir de forgeage. La figure 3B est un agrandissement de la zone de la figure 3A entourée d'un rectangle blanc. On constate qu'après passage au-dessus de la température de β-transus, il y a disparition des fibrages orientés et que la structure est plus isotrope. En effet, dès que la température de l'alliage dépasse la température β-transus, il se produit une transformation de la phase α en phase β, ce qui induit une recristallïsation équiaxe de la microstructure assortie d'un grossissement de grain. Les contraintes existantes dans la pièce avant le chauffage au dessus de la température β-transus sont en grande partie effacées. La macrostructure et l'état de l'alliage est donc plus appropriée pour subir l'opération de forgeage.

Comme expliqué ci-dessus, il est nécessaire que toute la pièce soit à une température supérieure à la température β-transus pendant l'opération de forgeage, ce qui est le cas dès que toutes les zones de la pièce sont sensiblement à Ia température Ti. La pièce est alors forgée à une température sensiblement égale à Ti pour lui donner une forme intermédiaire se rapprochant de sa forme finale (étape 1-2).

Lors de cette opération de forgeage initial, le taux de déformation est supérieur à 0,7. Le taux de déformation T _d est défini comme le logarithme du rapport de l'épaisseur H, de la pièce avant déformation et de son épaisseur H _f après déformation :

Si la pièce n'est pas déformée (H _f = H ₁ ), le taux de déformation T _d est égal à 0.

Avantageusement ce taux de déformation est supérieur à 1. De préférence il est supérieur à 1,6. En effet, un taux de déformation plus élevé entraîne un affinage plus grand de la microstructure (réduction de la taille des grains), ce qui améliore la tenue en fatigue de la pièce. Ces différences de microstructure sont visibles sur les figures 4A et 4B, qui sont des photographies prise au microscope qui montrent un alliage T16242 après forgeage dans le domaine β avec un taux de déformation de 1 et un taux de déformation de 2,5 respectivement. Des essais effectués par les inventeurs sur ces échantillons révèlent que la durée de vie d'un tel alliage de T16242 passe de 78 000 cycles (à 772 MPa) pour un taux de déformation égal à 1, à 130 000 cycles pour un taux de déformation égal à 2,5.

Idéalement, l'opération de forgeage initial ci-dessus devra être réalisée en utilisant des matrices telles que la forme de la pièce après forgeage est la plus proche possible de la forme finale de la pièce, de façon à minimiser les contraintes engendrées par l'opération ultérieure de forgeage final. De plus, on prendra soin d'utiliser des matrices de forme simple (par exemple matrice tronconique, en tas plat, ou diabolo) de façon à permettre un écoulement libre de la matière dans tout le moule et à éviter que de la matière soit piégée dans des cavités lors de l'opération de forgeage.

Par exemple, immédiatement après ce forgeage initial, la forme de la pièce est de type diabolo ou tronconique.

Une fois que la pièce a été soumise à l'opération de forgeage dans le domaine β, la pièce subit une trempe (étape 1-3) depuis la température de forgeage Ti jusqu'à température ambiante à une vitesse supérieure à 150 °C/min (degrés Celsius par minute). Cette trempe rapide permet conserver une microstructure fine de la pièce (grains fins) et donc d'optimiser les caractéristiques mécaniques de la pièce, et notamment sa limite d'élasticité, comme cela a été vérifié lors d'essais mécaniques effectués par l'inventeur.

Avantageusement la trempe est effectuée à une vitesse comprise entre 200 et 400 °C/min. Encore plus avantageusement la trempe est effectuée à une vitesse sensiblement égale à 250°C/min, les essais réalisés par les inventeurs ayant démontré que les caractéristiques mécaniques étaient le mieux optimisées à cette vitesse de trempe. De préférence il est effectué une trempe à eau.

Après cette trempe, la pièce est chauffée à une température T ₂ inférieure à la température β-transus (ce qui correspond à l'étape 2 sur la figure 1). A la température T ₂ , l'alliage est donc dans le domaine αβ, et la microstructure de l'alliage n'est pas modifiée. Le fibrage (structure aiguillée) réalisé lors du forgeage initial est donc conservé. Une fois la pièce chauffée à la température T ₂ (étape 2-1), on réalise l'opération de forgeage final (étape 2-2). Ce forgeage final est suivi d'une trempe (étape 2-3) jusqu'à température ambiante T _A . Cette trempe permet d'optimiser les caractéristiques mécaniques de la pièce, et notamment sa limite d'élasticité.

Dans certains cas, le procédé selon l'invention peut comporter une ou plusieurs passes de forgeage intermédiaire, toutes dans le domaine αβ (donc à une température inférieure à la température β-transus), après le forgeage initial et avant le forgeage final.

Dans certains cas, il peut être avantageux que le forgeage final soit suivi d'une opération de revenu dans le domaine αβ. Ce revenu (étape 3 sur la figure 1) dans le domaine αβ est donc effectué à une température inférieure à la température β-transus. Ainsi, une fois la pièce trempée à l'issue du forgeage final (étape 2), la pièce est chauffée à une température T ₃ (étape 3-1), puis refroidie sans trempe (étape 3-2) jusqu'à température ambiante. Pour l'alliage H6242, la température T ₂ est environ égale à 1000 ⁰ C, et la température T ₃ égale à 595°C. Il n'y a pas de forgeage de la pièce lors de cette opération de revenu, la pièce ne change donc pas de forme. Ce revenu permet de diminuer les contraintes résiduelles engendrées dans la pièce par l'opération de forgeage final.

Une mise en solution de la pièce entre le forgeage final et le revenu (à une température comprise entre T ₂ et T ₃ ) est inutile (car le forgeage final est dans le domaine αβ et est donc moins sévère), voire néfaste.

Divers alliages de titanes peuvent subir le procédé selon l'invention décrit ci-dessus. Par exemple, l'alliage de titane utilisé est un alliage de la famille des titanes αβ ou quasi α. En particulier, cet alliage peut être le

TA6V ou le T16242 (TA6Zr4DE). Ces alliages sont par exemple utilisés dans les turbines aéronautiques.

Des essais effectués par les inventeurs sur les alliages T16242 montrent qu'une pièce obtenue par un procédé selon l'invention possède de meilleures propriétés en fatigue qu'une pièce obtenue par un procédé selon l'art antérieur. La pièce fabriquée par un procédé tel que décrit ci-dessus est par exemple un disque de turbine aéronautique. Cette pièce est par exemple un tambour de turbine aéronautique.

Dans certains cas, selon la nature de l'alliage de titane et le type de pièce traitée, une partie seulement de la pièce est chauffée au dessus de la température β-transus et subit un procédé selon l'invention. Ce forgeage est alors appelé un refoulage.