EP0664341A1 - Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane et pièce en alliage de titane ainsi fabriquée et produit semi-fini en alliage de titane - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane et pièce en alliage de titane ainsi fabriquée et produit semi-fini en alliage de titane Download PDF

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EP0664341A1
EP0664341A1 EP95400118A EP95400118A EP0664341A1 EP 0664341 A1 EP0664341 A1 EP 0664341A1 EP 95400118 A EP95400118 A EP 95400118A EP 95400118 A EP95400118 A EP 95400118A EP 0664341 A1 EP0664341 A1 EP 0664341A1
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EP
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titanium alloy
semi
treatment
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beta
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EP95400118A
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Inventor
Andre Coulon
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Alstom SA
Original Assignee
GEC Alsthom Electromecanique SA
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the titanium alloy contains very little oxygen and nitrogen because they form hard and brittle titanium oxides and nitrides during dissolution. This dissolution is necessary to obtain a homogeneous part.
  • an aging treatment is carried out at a temperature of 500 ° to 600 ° C for about 10 h.
  • the method according to the invention making it possible to obtain a part having clearly superior mechanical properties is characterized in that the semi-finished product comprises 0.4% to 0.7% of oxygen and 0.1% to 0.2 % of nitrogen the quantity of oxygen plus nitrogen not being greater than 0.8% and in that the cooling is very rapid at least 200 ° C / h and preferably 400 ° C / h, the aging treatment being carried out between 550 ° C and 650 ° C for a time between 10 minutes and 2 hours sufficient to transform half of the beta titanium into Alpha Prime.
  • the titanium alloy part obtained according to the invention thus comprises 40 to 60% of beta alloy and the complement of alpha prime alloy.
  • the Beta part is very hard and the Alpha-Prime part has excellent ductility.
  • a semi-fine product of metastable beta titanium alloy is manufactured in the following manner.
  • a metastable beta titanium alloy casting is produced by adding 0.4 to 0.7% of oxygen and 0.1 to 0.2% of nitrogen by weight, the sum of oxygen and nitrogen not exceeding 0.8%.
  • an ingot is produced and then the product is produced by forging rolling and then reduced in the form of a bar or round, flat or sheet metal.
  • a solution treatment heat treatment is carried out at a temperature of 800 ° C to 900 ° C.
  • a very rapid cooling of the solution temperature to 500 ° C. is carried out with a speed of at least 200 ° C./h and preferably of at least 400 ° C./h.
  • the semi-finished product always has a metastable Beta structure.
  • the semi-finished product is then forged, stamped or machined to its final geometry.
  • an aging treatment is carried out from 550 ° C to 650 ° C for a period of between 10 minutes and 2 hours.
  • the duration being chosen so that 40 to 60% of the metastable Beta structure transforms into Alpha prime, the rest of the structure becoming Beta stable.
  • the final titanium alloy part has a mixed structure, the Beta part being very hard and the Alpha-prime part having excellent ductibility.
  • the very ductile matrix is thus reinforced by hard slats typical of beta structures.
  • the semi-finished product is manufactured by the founder or blacksmith, then it is transported to the user who manufactures it to give it its final shape.
  • the solution treatment can be done on the semi-finished product or it can be done on the workpiece.
  • the aging treatment could be done on the semi-finished product but in this case the machining is more difficult.
  • the aging treatment will be done on the workpiece.

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Abstract

. On prend un produit semi fini en alliage de titane Bêta métastable comportant 0,4 à 0,7 % d'oxygène 0,1 % à 0,2 % d'azote (oxygène + azote <= 0,8 %). On réalise un traitement de mise en solution à une température comprise entre 800°C et 900°C. On procède à un traitement de refroidissement très rapide >= 200°C/h, on usine la pièce, on fait un traitement de vieillissement entre 550°C et 650°C pendant 10 mn à 2 h pour transformer la moitié du titane Bêta en Alpha Prime. Pièce en alliage de titane comportant 40 à 60 % d'alliage Bêta et le complément en alliage Alpha Prime. Pièce ayant des bonnes propriétés mécaniques bonne résistance à la rupture et bonne limite élastique.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane dans lequel on prend un produit en alliage de titane Bêta métastable,
    • on réalise un traitement de mise en solution à une température comprise entre 800°C et 900°C.
    • on procède à un refroidissement
    • on effectue un traitement de vieillissement pour stabiliser la structure.

       et dans lequel avant le traitement de mise en solution ou entre le traitement de mise en solution et le traitement de vieillissement ou après le traitement de vieillissement, on forge, matrice ou usine le produit dans la géométrie définitive de la pièce.
  • Dans les procédés classiques l'alliage en titane comporte très peu d'oxygène et d'azote car ils forment des oxydes et des nitrures de titane durs et fragiles pendant la mise en solution. Cette mise en solution est nécessaire pour obtenir une pièce homogène .
  • Le refroidissement classique de la pièce de 900°C à 500°C après la mise en solution est de l'ordre de 50°C/h. Il s'ensuit que la quasi totalité de l'alliage de structure Bêta métastable est transformé en structure Bêta stable.
  • Ensuite on procède à un traitement de vieillissement à une température de 500° à 600°C pendant environ 10 h.
  • Le procédé selon l'invention permettant d'obtenir une pièce ayant des propriétés mécaniques nettement supérieures est caractérisé en ce que le produit semi-fini comporte 0,4 % à 0,7 % d'oxygène et 0,1 % à 0,2 % d'azote la quantité oxygène plus azote n'étant pas supérieure à 0,8 % et en ce que le refroidissement est très rapide au moins 200°C/h et de préférence 400°C/h, le traitement de vieillissement étant réalisé entre 550°C et 650°C pendant un temps compris entre 10 minutes et 2 h suffisant pour transformer sensiblement la moitié du titane Bêta en Alpha Prime.
  • Le refroidissement rapide de la pièce après la mise en solution ainsi que la présence d'oxygène et d'azote permettent de maintenir la structure de l'alliage en Bêta métastable.
  • Puis lors du traitement de vieillissement qui dure beaucoup moins longtemps qu'habituellement on transforme 40 à 60 % du Bêta métastable en structure Alpha Prime et le reste devenant du Bêta stable.
  • La pièce en alliage de titane obtenue selon l'invention comporte ainsi 40 à 60 % d'alliage Bêta et le complément en alliage Alpha prime.
  • La partie Bêta est très dure et la partie Alpha-Prime a une excellente ductibilité.
  • Il s'agit d'une structure mixte, à matrice très ductile renforcée par des grains durs (Bêta).
  • L'invention concerne également un procédé de fabrication de produit semi-fini en alliage de titane Bêta métastable comportant les opérations suivantes.
    • Elaboration d'un coulée en alliage de titane Bêta métastable.
    • Mise en lingot.
    • Elaboration sous forme de produit forgé en laminé puis réduction sous forme de billette barre ou rond, plat ou tôle.
    • traitement thermique de mise en solution à une température de 800° à 900°C caractérisé en ce que lors de l'élaboration de la coulée on ajoute de 0,4 à 0,7 % en poids d'oxygène et 0,1 à 0,2 % la quantité d'azote totale oxygène + azote en poids n'étant pas supérieure à 0,8 % et en ce qu'on effectue après le traitement thermique de mise en solution un refroidissement rapide après le traitement thermique d'au moins 200°C/h.
  • . La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre.
  • Pour fabriquer une pièce en alliage de titane selon l'invention, on fabrique un produit semi-fin en alliage de titane Bêta métastable de la façon suivante.
  • On élabore tout d'abord une coulée en alliage de titane Bêta métastable en ajoutant de 0,4 à 0,7 % d'oxygène et de 0,1 à 0,2 % d'azote en poids, la somme d'oxygène et d'azote ne dépassant pa 0,8 %.
  • . on fabrique un lingot puis on élabore le produit par forgeage laminage puis on le réduit sous forme de barre ou rond, plat ou tôle.
  • On effectue ensuite un traitement thermique de mise en solution à une température de 800°C à 900°C.
  • Puis on effectue un refroidissement très rapide de la température de mise en solution à 500°C avec une vitesse d'au moins 200°C/ h et de préférence d'au moins 400°C/h.
  • Le produit semi-fini a toujours une structure Bêta métastable.
  • Le produit semi-fini est ensuite forgé, matricé ou usiné dans sa géométrie définitive.
  • Puis on effectue un traitement de vieillissement de 550°C à 650°C pendant une durée comprise entre 10 minutes et 2h. La durée étant choisie pour que 40 à 60 % de la structure Bêta métastable se transforme en Alpha prime, le reste de la structure devenant Bêta stable.
  • . La pièce finale en alliage de titane a une structure mixte, la partie Bêta étant très dure et la partie Alpha-prime ayant une excellente ductibilité.
  • La matrice très ductile est ainsi renforcée par des lattes dures typiques des structures Bêta.
  • En général le produit semi-fini est fabriqué par le fondeur ou le forgeron puis ensuite il est transporté chez l'utilisateur qui l'usine pour lui donner sa forme définitive.
  • Le traitement de mise en solution peut être fait sur le produit semi-fini ou il peut être fait sur la pièce usinée.
  • Le traitement de vieillissement pourrait être fait sur le produit semi-fini mais dans ce cas l'usinage est plus difficile.
  • De préférence le traitement de vieillissement sera fait sur la pièce usinée.
  • Le tableau ci-après compare les propriétés mécaniques d'un alliage de titane classique TA6V (Ti, 6 Al, 4V) qui est à structure mixte Alpha + Bêta et l'alliage selon l'invention ayant 40 à 60 % en structure Alpha prime et le reste en structure Bêta.
    UNITE Ti6Al 4V Alpha-Bêta Bêta stable + Alpha Prime
    Résistance Ruptur Rm MPa 900-1000 1 800-2 100
    Limite élastique ReO.2 MPa 800-900 1 650-2000
    Dureté HV 300-330 55O-620
    Allongement % 10-12 8-10
    Striction % > 30 > 20
    Ténacité K1C MPa√m 80 70

Claims (4)

1) Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane dans lequel on prend un produit semi-fini en alliage de titane Bêta métastable,
- on réalise un traitement de mise en solution à une température comprise entre 800°C et 900°C.
- on procède à un refroidissement
- on effectue un traitement de vieillissement pour stabiliser la structure
- et dans lequel avant le traitement de mise en solution ou entre le traitement de mise en solution et le traitement de vieillissement ou après le traitement de vieillissement, on forge, matrice ou usine le produit dans la géométrie définitive de la pièce.
   caractérisé en ce que le produit semi-fini comporte 0,4 % à 0,7 % d'oxygène et 0,1 % à 0,2 % d'azote, la quantité oxygène plus azote n'étant pas supérieure à 0,8 % et en ce que le refroidissement est très rapide au moins 200°C/h et de préférence au moins 400°C/h, le traitement de vieillissement étant réalisé entre 550°C et 650°C pendant un temps compris entre 10 minutes et 2 h suffisant pour transformer sensiblement la moitié du titane Bêta en Alpha Prime.
2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on forge matrice ou usine le produit dans sa géométrie définitive après le traitement de mise en solution mais avant le traitement de vieillissement.
3) Procédé de fabrication de produit semi-fini en alliage de titane Bêta métastable comportant les opérations suivantes.
- Elaboration d'un coulée en alliage de titane Bêta métastable.
- Mise en lingot.
- Elaboration sous forme de produit forgé en laminé puis réduction sous forme de billette barre ou rond, plat ou tôle.
- traitement thermique de mise en solution à une température de 800° à 900°C caractérisé en ce que lors de l'élaboration de la coulée on ajoute en poids la quantité d'oxygène plus azote n'étant pas supérieure à 0,8 % de 0,4 à 0,7 % d'oxygène et 0,1 à 0,2 % d'azote et en ce qu'on effectue après le traitement thermique de mise en solution un refroidissement rapide après le traitement thermique d'au moins 200°C/h.
4) Pièce en alliage de titane caractérisée en ce qu'il comporte 40 à 60 % d'alliage Bêta et le complément en alliage Alpha prime.
EP95400118A 1994-01-25 1995-01-20 Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane et pièce en alliage de titane ainsi fabriquée et produit semi-fini en alliage de titane Withdrawn EP0664341A1 (fr)

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FR2715410A1 (fr) 1995-07-28
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