EP0167460A1 - Procédé d'élaboration, par métallurgie des poudres, d'alliage à base de titane à faible dimension de grain - Google Patents

Procédé d'élaboration, par métallurgie des poudres, d'alliage à base de titane à faible dimension de grain Download PDF

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EP0167460A1
EP0167460A1 EP85401371A EP85401371A EP0167460A1 EP 0167460 A1 EP0167460 A1 EP 0167460A1 EP 85401371 A EP85401371 A EP 85401371A EP 85401371 A EP85401371 A EP 85401371A EP 0167460 A1 EP0167460 A1 EP 0167460A1
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EP
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titanium
particles
powder
alloy
heat treatment
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EP85401371A
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Michel Marty
Henri Octor
André Walder
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Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
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Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0031—Matrix based on refractory metals, W, Mo, Nb, Hf, Ta, Zr, Ti, V or alloys thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/045—Alloys based on refractory metals
    • C22C1/0458—Alloys based on titanium, zirconium or hafnium

Definitions

  • the subject of the invention is a process for the production of a titanium-based alloy having a small grain size, the term "alloy" having to be interpreted as extending to a product containing, in addition only to titanium, only addition elements with sufficiently low content so that the transformation of phase ⁇ ⁇ ⁇ remains.
  • Titanium pure and above all in the form of an alloy of which it is the main constituent, has properties of lightness, mechanical strength and temperature which are leading to the use of it more and more in many fields, and in particular in aeronautics.
  • a titanium powder containing the addition elements densifies by spinning or isostatic compression and performs a heat treatment.
  • the invention starts from the observation that the harmful influence of passing through a temperature above the transformation point is not inherent in the acicular structure, but is linked to the size of the ⁇ -grain, which increases very rapidly during maintaining the temperature until it reaches and exceeds 0.5 mm, and leads after the final quenching operation to a structure whose grain size (eg 0) depends directly on that obtained at the end of the heat treatment.
  • the invention therefore aims to provide a process for developing a titanium-based alloy which better meets those previously known than the requirements of the practice, in particular in that it provides the advantages associated with a heat treatment at high temperature, while avoiding exaggerated magnification of grain in ⁇ phase, magnification detrimental to mechanical properties.
  • the invention proposes a process for the preparation of a titanium-based alloy comprising the steps of compacting (or densifying) a powder consisting of particles of pre-alloyed titanium or particles of titanium and of master alloy, high temperature heat treatment and quenching, characterized in that the powder also contains a dispersion of fine particles of a product slowing the growth of grain size at a volume content lower than that which would lead to the formation of a continuous layer of fine particles around the particles of titanium powder, the particles of product appearing on the surface of the titanium grains in the alloy produced.
  • the product will consist of a simple body, a compound or a mixture of a species chemically stable with respect to titanium or having at least one element very sparingly soluble in titanium.
  • This adduct may be stable during processing, or may be transformed by reaction with the elements of the alloy.
  • a first phenomenon is constituted by a blocking of the grain boundaries P by the fine particles of the species which remain stable or are transformed during production, distributed around the periphery of the other powder particles.
  • the metallurgical grains appearing during the transition to phase P are then confused with the particles of the original powder.
  • a second phenomenon consists of braking the migration of the grain seal ⁇ during the heat treatment.
  • the particles of the adduct, stable or transformed are then inside the metallurgical grain P which is larger than the initial powder grains, but remains smaller than the metallurgical grains in free control samples. of adduct and this up to very low contents of adduct (which constitutes a very favorable factor insofar as the use of an additive having a weakening effect is envisaged) .
  • metalloids in elementary form or of compounds, in particular boron, BN. B4C, 84Si, B6Si and LaB6.
  • Sulfur, WS, MoS2, ZnS can also be considered, as well as phosphorus, the latter however requiring special precautions due to its high flammability.
  • the particles of pre-alloyed titanium are advantageously produced by a process giving rise to approximately spherical particles, with a regular and fine particle size, the size of the particles conditioning that of the grains.
  • the particle size range from 4Q to 300 ⁇ m will generally be acceptable.
  • the median value of the diameter of TA6V alloy particles obtained by this process is of the order of 160 ⁇ m. It is possible by sieving to limit as much as desired the fraction retained.
  • the essential criterion for the choice of the initial particles of the additive intended to slow down the growth of the grain is dimensional stability. This dimensional stability can be obtained if the adduct used is chemically stable in the presence of the titanium alloy. However, this condition is not essential. The particles can react and chemically transform without dissolving in the metal matrix. One of the factors which oppose this dissolution is the very low solubility in titanium of an element entering into the composition of the initial particle and experience has shown that this factor is preponderant.
  • the most favorable adduct concentration range depends on many factors, including the particle size and that of the starting powder. It can be determined by experience for each particular product used. However, the volume concentration C of the particles of the adduct must as a general rule be maintained between two values, which correspond one to the formation of a continuous layer of particles on the grains of alloyed titanium powder (layer which could lead to embrittlement of the alloy by decohesion at the limit of the primitive powder grains), the other to an excessive spacing of the particles of the adduct on the surface of the metal powder grains.
  • C is a dimensionless number
  • d is in micrometers.
  • the particle size of the initial particles of the adduct acts on the content C to be adopted. Qn therefore sees that the use of excessively coarse initial particles leads to the introduction of a high content, detrimental to the mechanical properties of the alloy, in particular to its ductility. In practice, a particle size smaller than two orders of magnitude or more than that of the titanium powder generally gives good results.
  • the heat treatment temperature has little influence on the results obtained.
  • a temperature around 50 ° C higher at the processing point is generally satisfactory.
  • the method according to the invention can be implemented with a view to obtaining various results, but all linked to the possibility of retaining a reduced grain size despite exceeding the transformation temperature in the ⁇ phase.
  • the method according to the invention makes it possible to control the grain size ⁇ , and, consequently, that of the alloy grains after quenching.
  • This size only depends practically on the particle size of the original powder. We can therefore obtain combinations of mechanical properties which take advantage of the beneficial effects of the acicular structures, while avoiding the handicap of a grain that is too large.
  • the process according to the invention also makes it possible to accelerate the homogenization of an alloy, without any adverse effect on its final mechanical properties.
  • the diffusion coefficient of an element in an alloy is in fact an increasing function of the temperature, which shows the advantage of working at a temperature as high as possible to obtain rapid homogenization.
  • the diffusion coefficient of many elements undergoes a notable discontinuity, in the direction of an increase, if at fixed temperature the phase a is transformed into ⁇ phase. So the homogenization of an alloy containing particles enriched in alphagene element like aluminum, oxygen, carbon, nitrogen will be accelerated if the treatment temperature exceeds that where the particle in question passes completely in ⁇ phase.
  • Such particles, as well as inclusions of elements foreign to the alloy can be found in products obtained by powder metallurgy processes.
  • FIGS. 1 to 10 are simplified reproductions of micrographs of alloys obtained after heat treatment and quenching, solid lines showing the ⁇ grain boundaries and possible dashed lines showing the original particle boundaries, when they do not coincide with the ⁇ grain boundaries.
  • the starting powder was obtained by spraying with TA6V alloy according to the method with a rotating arc electrode under neutral gas qt sieving at a particle size less than 160 ⁇ m.
  • Figure 1 shows only a fraction of three adjacent grains in the control sample having undergone all of the treatments.
  • FIG. 2 corresponds to the case of the sample containing 300 vpm of boron, shows that there has been complete blocking of the grain boundaries ⁇ and maintenance of a very fine grain size. It is essential to note that the optical magnification is not the same in Figures 1 and 2.
  • Figure 4 shows that a content of 100 vpm still significantly slows the growth of ⁇ grain. whose size remains much smaller than that of the control sample.

Abstract

On élabore un alliage à base de titane par compactage d'une poudre constituée de particules de titane préallié ou de particules de titane et d'alliage-mère, traitement thermique à température élevée et trempe. Le traitement thermique est effectué au moins en partie à une température supérieure au point de transformation en phase β. La poudre contient également une dispersion de particules fines d'un produit freinant la croissance de la taille de grain, produit constitué par une espèce chimique stable vis-à-vis du titane ou ayant au moins un élément très peu soluble dans le titane aux températures atteintes lors du traitement thermique. Le grossissement du grain β est ainsi bloqué.

Description

  • L'invention a pour objet un procédé d'élaboration d'alliage à base de titane ayant une faible dimension de grain, le terme "alliage" devant être interprété comme s'étendant à un produit ne contenant, en plus qu titane, que des éléments d'addition à teneur suffisamment faible pour que la transformation de phase α→β subsiste.
  • Le titane, pur et surtout sous forme d'alliage dont il est le constituant principal, présente des propriétés de légèreté, de tenue mécanique et en température qui conduisent à l'utiliser de plus en plus dans de nombreux domaines, et notamment en aéronautique. En règle générale, oour élaborer des pièces de titane par métallurgie des poudres, on part d'une poudre de titane contenant les éléments d'addition, on densifie par filage ou compression isostatique et on effectue un traitement thermique. On a jusqu'ici généralement jugé avantageux d'effectuer ce traitement à une température inférieure au point de transformation en phase β, car au delà de ce point on constate un grossissement excessif des grains métallurgiques, grossissement qui est préjudiciable à certaines caractéristiques mécaniques, par exemple à la ductilité et à la résistance en traction du produit obtenu, même après retour partiel de la phase monophasée p en phase a lors du refroidissement à la température ambiante qui suit le traitement thermique.
  • Mais le choix d'une température inférieure au point de transformation conduit à se priver des avantages que présente la structure de type aciculaire que donne la transformation partielle de la phase p obtenue à haute température, en phase α : parmi ces avantages on peut citer la meilleure résistance à la propagation brutale de fissures (c'est-à-dire la ténacité de l'alliage), à la propagation de fissures en fatigue, au fluage, et à la corrosion sous tension dans l'eau salée.
  • L'invention part de la constatation que l'influence néfaste d'un passage par une température supérieure au point de transformation n'est pas inhérente à la structure aciculaire, mais est liée à la taille du grain β, qui augmente très rapidement au cours du maintien en température jusqu'à atteindre et dépasser 0,5 mm, et conduit après l'opération finale de trempe à une struq- ture dont la taille de grain (ex 0) dépend directement de celle obtenue en fin de traitement thermique.
  • Ce problème existe aussi pour certains alliages de titane dits "presque alpha" pour lesquels le traitement en phase β est couramment appliqué et conduit à un grossissement excessif du grain métallurgique.
  • L'invention vise donc à fournir un procédé d'élaboration d'alliage à base de titane répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il fournit les avantages liés à un traitement thermique à haute température, tout en évitant le grossissement exagéré de grain en phase β, grossissement néfaste aux propriétés mécaniques.
  • L'invention propose dans ce but un procédé d'élaboration d'alliage à base de titane comportant les étapes de compactage (ou densification) d'une poudre constituée de particules de titane préallié ou de particules de titane et d'alliage-mère, de traitement thermique à température élevée et de trempe, caractérisé en ce que la poudre contient également une dispersion de particules fines d'un produit freinant la croissance de la taille de grain à une teneur volumique inférieure à celle qui conduirait à la formation d'une couche continue de particules fines autour des particules de la pqu- dre de titane, les particules de produit se présentant la surface des grains de titane dans l'alliage élaboré.
  • Le produit sera constitué par un corps simple, un composé ou un mélange d'une espèce chimiquement stable vis-à-vis du titane ou ayant au moins un élément très peu soluble dans le titane. Ce produit d'addition peut être stable au cours de l'élaboration, ou se transformer, par réaction avec les éléments de l'alliage.
  • On peut penser, sans que le caractère complet et rigoureux de cette explication doive être considéré comme un impératif pour la validité du présent brevet, que deux phénomènes interviennent pour limiter la taille de grain.
  • Un premier phénomène est constitué par un bloça- ge des joints de grain P par les particules fines de l'espèce qui restent stables ou se transforment au cours de l'élaboration, réparties à la périphérie des autres particules de poudre. Les grains métallurgiques apparaissant lors du passage en phase P sont alors confondus avec les particules de la poudre d'origine.
  • Un second phénomène est constitué par un freinage de la migration du joint de grain β pendant le traitement thermique. Dans ce cas, les particules du produit d'addition, stables ou transformées, sont alors à l'intérieur du grain métallurgique P qui est plus gros que les grains de poudre initiaux, mais reste plus petit que les grains métallurgiques dans des échantillons témoins exempts de produit d'addition et ce jusqu'à de très basses teneurs en produit d'addition (ce qui constitue un facteur très favorable dans la mesure où l'on envisage l'emploi d'un produit d'addition ayant un effet fragilisant).
  • Les deux phénomènes ci-dessus ont été observés, l'un ou l'autre pouvant être seul présent ou prépondérant pour certains produits d'addition ou certaines plages de teneur.
  • On pouvait a priori penser qu'il serait impossible de trouver un produit pouvant être utilisé en fines particules et remplissant la fonction requise, du fait de la très grande réactivité du titane vis-à-vis d'espèces chimiques pourtant réputées difficiles à décomposer. Par exemple la silice, le carbure de tantale, l'alumine sont rapidement dissous à des températures voisines de 1000*C, c'est-à-dire à proximité du point de transformation en phase β.
  • Cependant, l'examen de l'enthalpie libre de formation de certains oxydes, et notamment d'oxydes de terre rare, fait apparaître des valeurs à 1000°C suffisantes pour laisser espérer la possibilité d'obtenir des résultats favorables. De même, l'examen des propriétés de divers éléments fréquemment utilisés en métallurgie montrent une solubilité suffisammment faible pour répondre aux conditions requises. Effectivement, on a notamment pu utiliser divers oxydes, et notamment Y2O3 et Dy2O3.
  • On a pu également utiliser des métalloides sous forme élémentaire ou de composés, notamment le bore, BN. B4C, 84Si, B6Si et LaB6. Le soufre, WS, MoS2, ZnS peuvent également être envisagés, ainsi que le phosphore, celui-ci nécessitant cependant des précautions particulières en raison de sa grande inflammabilité. On peut également utiliser des éléments des colonnes 5 et 6 du tableau périodique qui sont apparentés à S et à P (Se, Te, As). Tous ces éléments ont une faible solubilité dans le titane.
  • Des résultats satisfaisants sont obtenus moyennant le respect de diverses conditions portant sur la poudre de départ (particules pré-alliées ou mélange), produit d'addition et le traitement thermique.
  • Ces conditions seront maintenant envisagées, en faisant notamment référence au cas particulièrement intéressant de l'alliage de titane dénommé TA6V, à 6 % en poids d'aluminium et 4 % de vanadium.
  • Les particules de titane pré-allié (ou de titane et d'éléments d'addition) sont avantageusement élaborées par un procédé donnant naissance à des particules apprq- ximativement sphériques, avec une granulométrie régulière et fine, la taille des particules conditionnant celle des grains. La plage de granulométrie allant de 4Q à 300 µm sera généralement acceptable.
  • On peut notamment utiliser des poudres de titane pré-allié obtenues par pulvérisation suivant un procéqé à l'électrode tournante, actuellement bien connu et largement utilisé pour l'élaboration de poudres d'alliages de titane.
  • La valeur médiane du diamètre de particules d'alliage de TA6V obtenu par ce procédé est de l'ordre de 160 µm. On peut par tamisage limiter autant qu'on le souhaite la fraction retenue.
  • Le critère essentiel du choix des particules initiales du produit d'addition destiné à freiner la croissance du grain est la stabilité dimensionnellq. Cette stabilité dimensionnelle peut être obtenue si le produit d'addition utilisé est stable chimiquement en présence de l'alliage de titane. Toutefois cette condition n'est pas indispensable. Il peut y avoir réaction et transformation chimique des particules sans qu'il y ait dissolution dans la matrice métallique. L'un des facteurs qui s'opposent à cette dissolution est la très faible solubilité dans le titane, d'un élément entrant dans la composition de la particule initiale et l'expérience a prouvé que ce facteur est prépondérant.
  • On peut donc adopter :
    • - les composés présentant une grande stabilité chimique vis-à-vis du titane, c'est-à-dire surtout les oxydes possédant une enthalpie libre de formation inférieure à celle de l'alumine, en particulier les composés de la famille des lanthanides comme l'oxyde de lutétium, l'oxyde de néodyme, l'oxyde de dysprosium ;
    • - les composés contenant au moins un élément très peu soluble dans le titane, c'est-à-dire notamment ceux déjà évoqués ci-dessus et dont la solubilité dans le titane est (en % en poids) :
      Figure imgb0001
  • La plage de concentration en produit d'addition la plus favorable dépend de nombreux facteurs, parmi lesquels la granulométrie des particules et celle de la poudre de départ. Elle pourra être déterminée par l'expérience pour chaque produit particulier utilisé. Toutefois, la concentration en volume C des particules du produit d'addition devra en règle générale être maintenue entre deux valeurs, qui correspondent l'une à la formation d'une couche continue de particules sur les grains de poudre de titane allié (couche qui pourrait conduire à une fragilisation de l'alliage par décohésion à la limite des grains de poudre primitifs), l'autre à un écartement excessif des particules du produit d'addition à la surface des grains de poudre métallique.
  • En supposant les particules sphériques, et si on désigne par :
    • - d le diamètre moyen des particules du produit d'addition,
    • - 1 la distance de centre à centre des particules du produit d'addition,
    • - D le diamètre moyen des particules de poudre d'alliage,
  • le revêtement de particules du produit d'addition sera efficace en général pour :
    • d < 1 ≤ 5d
  • Or, dans le cas de particules sphériques
    Figure imgb0002
    ce qui conduit, pour une valeur moyenne de D égale à 100 µm qu'on peut considérer comme représentative, à :
  • Figure imgb0003
  • Dans cette formule, C est un nombre sans dimension, d est en micromètres.
  • Ce critère conduira par exemple aux plages suivantes, exprimées en vpm (volume par million)
    • B avec d = 0,2 µm : 63 vpm ≤ C < 1570 vpm
    • Y2O3 avec d = 2 µm : 630 vpm ≤ C < 15.700 vpm
  • La granulométrie des particules initiales du produit d'addition agit sur la teneur C à adopter. Qn voit en conséquence que l'emploi de particules initiales trop grossières conduit à introduire une teneur élevée, néfaste aux propriétés mécaniques de l'alliage, notamment à sa ductilité. Dans la pratique, une granulométrie des particules inférieure de deux ordres de grandeurs ou davantage à celle de la poudre de titane donne en général de bons résultats.
  • Une réduction de la granulométrie des particules initiales du produit d'addition, à concentration C constante, entraine une diminution de la distance entre particules 1 et donc une plus grande efficacité dans la limitation de taille du grain β. Ce résultat a notamment été constaté en comparant les tailles de grain obtenues avec du bore de granulométrie d'environ 0,2 µm et avec des particules de type céramique, telles que l'yttrine Y2O3, pour lesquelles la granulométrie est d'environ 2 µm.
  • La température de traitement thermique a peu d'influence sur les résultats obtenus. Une température supérieure de 50'C environ au point de transformation est en général satisfaisante. Lorsque par exemple, on veut élaborer l'alliage TA6V pour lequel le point de transformation α + β/β est situé entre 995*C et 1000°C. un maintien d'une heure à une température comprise entre 1050°C et 1100*C avant trempe est satisfaisant.
  • Le procédé suivant l'invention peut être mis en oeuvre en vue de l'obtention de résultats divers, mais tous liés à la possibilité de conserver une dimension de grain réduite en dépit du dépassement de la température de transformation en phase β.
  • Tout d'abord, comme on l'a déjà indiqué, le procédé suivant l'invention permet de contrôler la taille de grain β, et, par voie de conséquence, celle des grains d'alliage après trempe. Cette taille ne dépend en effet pratiquement plus que de la granulométrie de la poudre d'origine. On peut en conséquence obtenir des combinaisons de propriétés mécaniques qui tirent parti des effets bénéfiques des structures aciculaires, tout en évitant le handicap d'un grain a trop gros.
  • Le procédé suivant l'invention permet également d'accélérer l'homogénéisation d'un alliage, sans effet défavorable sur ses propriétés mécaniques finales. Le coefficient de diffusion d'un élément dans un alliage est en effet une fonction croissante de la température, ce qui montre l'intérêt de travailler à température aussi élevée que possible pour obtenir une homogénéisation rapide. De plus, dans le cas d'une matrice en titane, le coefficient de diffusion de nombreux éléments subit une discontinuité notable, dans le sens d'une augmentation, si à température fixée la phase a se transforme en phase β. Donc l'homogénéisation d'un alliage contenant des particules enrichies en élément alphagène comme l'aluminium, l'oxygène, le carbone, l'azote sera accélérée si la température de traitement dépasse celle où la particule en question passe totalement en phase β. Des particules de ce genre, ainsi que des inclusions d'éléments étrangers à l'alliage, peuvent se rencontrer dans les produits obtenus par les procédés de la métallurgie des poudres.
  • En dépit de son intérêt dans ce cas, on ne peut cependant envisager un traitement d'homogénéisation à une température supérieure au point de transformation en phase β en l'absence de produit d'addition, car il conduit à un grossissement inacceptable du grain β. L'invention écarte cet inconvénient. De plus, comparée à un recuit de la poudre à haute température avant densification, elle offre l'avantage de permettre un échange d'éléments entre différents granules de poudre par diffusion à l'état solide.
  • Parmi les cas où l'accélération du processus d'homogénéisation présente un grand intérêt, on peut citer les suivants, à titre non limitatif :
    • - Amélioration de l'homogénéité chimique des alliages : cet effet trouve une application importante dans le processus de récupération des copeaux d'usinage de titane allié lorsque cette récupération comporte une transformation en poudre. Les copeaux d'usinage sont contaminés par l'oxygène, l'azote, le carbone et des particules étrangères à l'alliage. Le niveau moyen de contamination peut être abaissé en mélangeant, aux copeaux pulvérisés puis tamisés, de la poudre à teneur plus basse en interstitiels. Cette opération diminue au surplus la taille des particules les plus nocives. Dans la pratique le broyage de copeaux hydrurés permet d'obtenir des poudres particulièrement fines, jusqu'à environ 40 µm. Après mélange de ces poudres avec des particules de produit d'addition et densification, un traitement d'homogénéisation à haute température permet d'améliorer la qualité des produits finis, sans grossissement exagéré du grain β.
    • - Synthèse d'alliage par frittage d'un mélange de parties fines d'éponge de titane et de poudre d'alliage-mère : cette solution, séduisante du point de vue économique, a l'inconvénient de conduire, lorsqu'elle est réalisée par les techniques actuelles à des produits contenant du chlore provenant de l'éponge de titane. Il en résulte une structure métallurgique qui présente une grande stabilité au cours des traitements thermiques mais dont la porosité ne peut être complètement fermée par pressage isostatique. La résistance à la fatigue qe ces produits en est considérablement dégradée. L'élimination du chlore des parties fines de l'éponge entraine un grossissement exagéré du grain β au cours de l'homogénéisation de l'alliage à une température supérieure au transus β. Ces produits peuvent être améliorés par mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, car ce dernier permet d'effectuer les traitements de diffusion et de pressage isostatique dans le domaine P sans grossissement exagéré du grain métallurgique d'où une homogénéisation et la fermeture des pores.
  • Cette technique peut être combinée avec la précédente : elle permet d'utiliser un mélange de départ comprenant des poudres élaborées à partir de copeaux à teneur élevée en oxygène, azote et carbone, des parties fines d'éponge de titane et de la poudre d'alliage-mère, ces derniers composants étant peu chargés en éléments interstitiels.
    • - Mise en solution d'éléments tels que Si ou Ge dont la solubilité en phase β croit rapidement avec la température.
  • On décrira maintenant divers exemples particuliers de mise en oeuvre de l'invention, correspondant à l'élaboration d'alliage de titane TA6V par métallurgie des poudres. La description fait référence aux dessins qui l'accompagnent et dans lesquels les figures 1 à 10 sont des reproductions simplifiées de micrographies d'alliages obtenus après traitement thermique et trempe, les lignes en traits pleins montrant les joints de grain β et les lignes éventuelles en tirets montrant les limites de particules d'origine, lorsqu'elles ne coïncident pas avec les joints de grain β.
  • Dans tous les cas, la poudre de départ a été obtenue par pulvérisation d'alliage TA6V suivant le procédé à l'électrode tournante à arc sous gaz neutre qt tamisage à une granulométrie inférieure à 160 µm.
  • Plusieurs teneurs, égales ou inférieures à 2200 vpm de particules initiales, ont été essayées. Les mêmes traitements métallurgiques ont été appliqués au mélange contenant le produit d'addition et à un échantillon témoin de poudre d'alliage. Les traitements effectués ont comporté une densification par compression isostatique à chaud dans des conditions représentatives, c'est-à-dire à une température inférieure au point de transformation du TA6V, ou par filage, puis un traitement d'une heure au-dessus de la température de transformation, suivi d'une trempe.
    • Exemple 1
  • On a ajouté 0,16 g de poudre de bore ayant une granulométrie d'environ 0,2 µm à 1 kg de poudre d'alliage TA6V tamisée à une granulométrie inférieure à 160 µm. La teneur ainsi obtenue était de 300 vpm. Le mélange a été effectué dans un mélangeur rotatif en présence de billes de verre, de type "TURBULA", pendant 4 heures. Le mélange a été dégazé à chaud sous vide secondaire et en lit mince, suivant le processus connu en métallurgie des poudres. Il a été ensuite placé dans une enveloppe en acier doux de forme correspondant à celle de la pièce à obtenir. L'enveloppe a été fermée de façon étanche sous vide secondaire par soudage au faisceau d'électrons. L'alliage a été densifié par pressage isostatique à chaud à 950°C sous 1000 bars pendant trois heures. L'enveloppe a été retirée par usinage ou attaque chimique. Enfin, un traitement thermique à 1050°C pendant une heure, suivi d'une trempe à l'eau, a été effectué.
  • Les mêmes opérations ont également été réalisées sur un témoin contenant uniquement de la poudre d'alliage TA6V.
  • La figure 1 montre une fraction seulement de trois grains adjacents dans l'échantillon témoin ayant subi l'ensemble des traitements. Une comparaison avec la figure 2, qui correspond au cas de l'échantillon contenant 300 vpm de bore, montre qu'il y a eu blocage complet des joints de grain β et maintien d'une taille de grain très fine. Il est essentiel de noter que le grossissement optique n'est pas le même sur les figures 1 et 2.
    • Exemples 2 et 3
  • Les mêmes traitements que dans l'exemple 1 ont été effectués avec des teneurs en bore respectivement qe 200 vpm et 100 vpm. Les figures 3 et 4 montrent les tailles de grain obtenues. On voit sur la figure 3, qui correspond à une teneur de 200 vpm, qu'on obtient un quasi-blocage des joints de grain. Les limites des grains β sont, dans la plupart des cas, confondues avec les limites des anciennes particules (indiquées en tirets là où il y a absence de coincidence).
  • La figure 4 montre qu'une teneur de 100 vpm freine encore de façon notable la croissance de grain β. dont la taille reste très inférieure à celle de l'échantillon témoin.
    • Exemples 4. 5. 6 et 7
  • Le même traitement métallurgique a été appliqué à des échantillons contenant respectivement 400, 550, 1100 et 2200 vpm de bore. Dans tous les cas on a obtenu un blocage complet des joints de grain.
    • Exemples 8 et 9
  • Le même traitement métallurgique que dans les exemples précédents a été effectué sur des échantillons contenant respectivement 550 vpm et 1100 vpm de dyspro- sine Dy2O3. Les résultats obtenus apparaissent sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5, correspondant à une teneur de 550 vpm, on constate un freinage des joints qe grains, limitant la croissance des grains β. Sur la figure 6, pour une teneur de 1100 vpm, un blocage complet apparait, la limite des grains β étant confondue avec les limites des anciennes particules.
    • Exemples 10. 11 et 12
  • Le même traitement thermique que dans le ças précédent, si ce n'est que le maintien en température a été à 1100°C au lieu de 1050°C, a été appliqué à un échantillon témoin (figure 7), à un échantillon à 550 vpm de Y2O3 (figure 8), à un échantillon de 550 vpm de Dy2O3 (figure 9) et à un échantillon à 1100 vpm de Dy2O3 (figure 10).
  • On a constaté un blocage du joint de grain β, pour 1100 vpm de Dy2O3 et 550 vpm de Y2O3, un freinage notable pour 550 vpm de Dy 2 0 3.
  • Les résultats ci-dessus et des résultats complémentaires sont résumés sur le tableau ci-après, où il faut noter que les résultats moins favorables obtenus avec B6Si semblent attribuables à une répartition insuffisamment homogène du produit d'addition dans le mélange.
    Figure imgb0004

Claims (5)

1. Procédé d'élaboration d'alliage à base de titane comportant les étapes de compactage d'une poudre constituée de particules de titane préallié ou de particules de titane et d'alliage-mère, de traitement thermique à une température supérieure au point de transformation en phase β, et de trempe, caractérisé en ce que la poudre contient également une dispersion de particules fines d'un produit freinant la croissance de la taille de grain à une teneur volumique inférieure à celle qui conduirait à la formation d'une couche continue de particules fines autour des particules de la poudre de titane, les particules de produit se préseq- tant à la surface des grains de titane dans l'alliage élaboré.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit produit est constitué par une espèce chimique stable vis-à-vis du titane ou ayant au moins un élément très peu soluble dans le titane aux températures atteintes lors du traitement thermique.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit produit est choisi parmi S, P, B, As, Se, Te, Y et les lanthanides, à l'état élémentaire ou en combinaison.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules fines du produit ont une granulométrie inférieure d'a µ moins deux ordres de grandeur à celle de la poudre de particules de titane.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes d'élaboration d'alliage TA6V, caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué à une température supérieure d'environ 50°C au point de transformation en phase β, suivi d'une trempe.
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