EP2002026A2 - Procedes de traitement thermique et de fabrication d'une piece thermomecanique realisee dans un alliage de titane, et piece thermomecanique resultant de ces procedes - Google Patents
Procedes de traitement thermique et de fabrication d'une piece thermomecanique realisee dans un alliage de titane, et piece thermomecanique resultant de ces procedesInfo
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- EP2002026A2 EP2002026A2 EP07731850A EP07731850A EP2002026A2 EP 2002026 A2 EP2002026 A2 EP 2002026A2 EP 07731850 A EP07731850 A EP 07731850A EP 07731850 A EP07731850 A EP 07731850A EP 2002026 A2 EP2002026 A2 EP 2002026A2
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- 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
- thermomechanical part made of a titanium alloy, and thermomechanical part resulting from these processes
- the invention relates to a thermal treatment method of a thermomechanical part made of a TA6Zr4DE titanium alloy, a manufacturing method comprising such a heat treatment method and a thermomechanical part resulting from these processes.
- the invention is particularly, but not exclusively, applicable to rotating parts of turbomachines, such as discs, journals and wheels, and in particular to high-pressure compressor discs.
- the high pressure compressor discs are obtained by stamping in the beta domain of the titanium alloy.
- an alloy called “6242” which comprises about 6% aluminum, 2% tin, 4% zirconium and 2% molybdenum. It is more specifically the TA6Zr4DE alloy according to the metallurgical nomenclature.
- This stamping is carried out at approximately 1030 ° C.
- This stamping step is followed by a heat treatment process comprising a solution step in the alpha / beta domain of the alloy at a temperature of 970 ° C., corresponding to the beta transus temperature -30 ° C., for one hour.
- This dissolution step is followed by an oil quenching step or in a water-polymer mixture. Then we realize an income treatment to
- this heat treatment process leads to an alloy having a coarse microstructure which is not conducive to good strength of the titanium alloy, in particular according to a creep under stress test imposed for a certain holding time, in particular for a range of operating temperature between -50 ° C. and +250 ° C.
- the application in the aeronautical field, and in particular for a high pressure compressor disk is very conducive to this phenomenon of "dwell effect" because during the take-off and landing phases, the engines are subject to operating conditions in the temperature and stress range corresponding to this phenomenon. This phenomenon can lead to ignition premature fatigue cracks, or even the rupture of the room.
- the object of the present invention is to provide a heat treatment process for a thermomechanical part made of a titanium alloy that can be used industrially and that makes it possible to overcome the drawbacks of the prior art and in particular to provide the possibility of to limit the extent of the "dwell effect" phenomenon.
- the heat treatment process is characterized in that a dissolution step is carried out at a temperature of between ⁇ transus - 20 ° C. and ⁇ transus - 15 ° C. for a duration of 4 to 8 hours.
- This temperature condition corresponds to a maximum temperature of about 985 ° C.
- This difference with respect to the ⁇ -transus temperature is a safety margin, which is linked to the possible difference between the measured temperature and the actual temperature of the alloy, making it possible to ensure that the temperature remains below the temperature beta transition.
- This dissolution step is performed for 4 to 8 hours depending on the size of the room.
- the idea underlying the present invention corresponds to the fact that it has been found that there exist within the material zones or colonies, conducive to the phenomenon of "dwell effect". It is found that such colonies are formed of elongated grains of alpha phase, needle-like, relatively big and joined together. Generally, such grains have a length of several millimeters over a width of the order of 200 to 300 microns. Such colonies constitute locations at which, when stresses are accumulated, a large concentration of dislocations occurs which, when activated, without any particular thermal effect, can cause slips between the grains, which can lead to to breaks.
- the present invention proposes to implement a heat treatment making it possible to refine the microstructure, in particular the size of the aforementioned needles, in order to minimize the effects of the "dwell effect", and this by reducing the extent of free circulation of the dislocations , to minimize their accumulation and, in this way, the risk of breakage of the room.
- the solution-making step is carried out for a much longer period than that usually performed.
- the piece is allowed to come closer, even to reach, its microstructural equilibrium, which makes it possible to reduce the size, in length and thickness, of the needles of the colonies likely to cause the "dwell effect” .
- This treatment makes it possible to obtain a finer microstructure than that of the prior art, and thus to minimize the consequences of the "dwell effect".
- thermomechanical properties of the material does not have the consequence, contrary to the prevailing prejudices in this field of metallurgy, to affect the thermomechanical properties of the material.
- the inventors have, in the context of the invention presented here, implemented a heat treatment process whose solution solution stage was carried out for a much longer duration than that practiced usually, without the material resulting from the entire heat treatment process having thermomechanical characteristics, and in particular imposed fatigue fatigue properties, lower than those of the materials resulting from the treatment process thermal of the prior art.
- the present invention proposes to carry out this dissolution step at a temperature relatively close to the beta transition temperature, while remaining strictly lower than the latter, and this in order to obtain a microstructure of the final piece in the classes of alpha / beta, almost alpha and alpha.
- thermomechanical parts in particular discs for high pressure compressor, having on the one hand durability greater than that of the parts obtained according to the techniques previously used, but also having thermomechanical characteristics (traction, creep, stress fatigue imposed during a holding time, etc.) at least as good, while minimizing the risks of fatigue rupture.
- the thermal treatment method according to the invention allows a gain of a factor of about two on the resistance to "dwell" (cyclic loading with hold-load time - creep - at each cycle) compared to a method of treatment, as shown in the tests described below.
- this process according to the invention also comprises a step according to which, after the dissolution step, a quenching step of the workpiece is carried out at a cooling rate greater than 200 ° C./min, and preferably, between 300 and 450 ° C.
- this cooling rate is the largest possible and preferably greater than or of the order of 400 ° C./min.
- the method further comprises the following steps:
- a tempering step is carried out at a temperature of the order of 595 ° C. for a duration of the order of 8 hours, and then
- a cooling step is carried out in air.
- the present invention also relates to a method of manufacturing a thermomechanical part made of a titanium alloy, by stamping in the ⁇ domain, comprising such a heat treatment process.
- thermomechanical part made of a titanium alloy whose manufacturing process comprises the aforementioned heat treatment process or resulting from the manufacturing process which has just been presented.
- this titanium thermomechanical part forms a rotating part of a turbomachine, and in particular a compressor disk, especially a high-pressure compressor.
- the present invention also relates to a turbomachine equipped with a thermomechanical part according to one of the definitions given above.
- FIG. 1 shows the microstructure obtained according to the conventional thermal treatment method of the invention
- FIG. 2 shows the microstructure obtained according to the conventional thermal treatment process of the prior art modified by a faster quenching speed
- FIG. 3 shows the microstructure obtained according to the heat treatment method according to the present invention
- FIG. 4 shows the microstructure obtained according to the heat treatment method according to the present invention with a faster quenching speed
- FIG. 5 shows the results of a cyclic load creep test with a hold time for a part resulting from the process of the prior art and for a part obtained by the process according to the invention.
- the present invention relates to all types of titanium alloy stabilized in temperature: titanium alloys of the beta, alpha / beta, almost alpha and alpha (this is called the structure of the finished part).
- This stamping step is followed by a heat treatment process comprising a solution step in the alpha / beta domain of the alloy at a temperature of 970 ° C., corresponding to the temperature of beta-trans-30 ° C., during one hour.
- This dissolution step is followed by an oil quenching step or in a water-polymer mixture (cooling rate in the order of
- a material having the microstructure visible in FIG. 1 is obtained, having colonies consisting of beta phase needles parallel to one another. These needles have an elongate section visible in the figure often extending over several hundred micrometers.
- the visible microstructure corresponds to that of a titanium alloy identical to that of FIG. 1, having undergone the aforementioned heat treatment with the following two differences: - the dissolution temperature is beta transus -20 0 C
- the quenching rate used during the heat treatment process is significantly faster: 400 0 C / min instead of 200 0 C / min, using for example a water quenching instead of quenching the oil, and taking care to avoid the extra thicknesses of materials by a possible prior machining of the thickest areas.
- parallel needle colonies have needles more dissimilar in size and in particular there are fewer large needles. Nevertheless, even in fewer numbers, it is expected that these large needles are sufficient in number for the phenomenon of "dwell effect" causes accumulations of dislocations likely to cause risks of rupture.
- FIG. 3 or FIG. 4 these are the microstructures obtained according to the process according to the present invention. More precisely, with respect to the conventional thermal treatment method previously discussed in connection with FIG. 1, the processing implemented to achieve the microstructure of FIG. 3, provides:
- the needles are all smaller in section, their remaining length less than 100 microns, and generally of the order of 50 micrometers.
- the decrease in the size of the needles is accompanied by a decrease in their volume and the contiguous surfaces between needles, which hampers the ability to move defects such as dislocations or gaps, which run thus smaller distances and less opportunities to accumulate.
- quenching at a higher speed of 400 ° C./min instead of 200 ° C./min was also carried out. .
- the microstructures are more freeze to a smaller size than those which generate the damages of the material. This avoids the accumulation of needles or grains, in the form of large parallel needle packets which, like a single grain, concentrate defects at the edge of their interface.
- FIG. 5 is a graph indicating the ratio of elongation deformation under cyclic loading with hold time as a function of the number of cycles, until breaking.
- Curve A represents the result of this test for materials obtained according to the heat treatment process of the prior art and in accordance with the microstructure of FIG.
- Curve B represents the result of this test for materials obtained according to the heat treatment method of the present invention and in accordance with the microstructure of FIG. 4. This standardized test thus shows that the heat treatment process of the present invention makes it possible to practically double the number of cycles before rupture since one goes from 5500 cycles to 10000 cycles.
- the present invention makes it possible, surprisingly, in particular by extending the duration of the solution-making step, to significantly improve the fatigue test life with hold time. This is mainly due to the fact that this elongation makes it possible to refine the microstructure and in particular to reduce the size of the alpha phase needles forming the colonies that are sensitive to the "dwell effect" phenomenon.
- longer dissolution times for example 8 hours
- thinner pieces for which the quenching speed of 400 ° C. is chosen. / min can be reached, shorter dissolution times (eg 4 hours) can be applied.
- the increase of the dissolution temperature favors the solution of the coarse primary alpha phase in order to transform it into a beta phase.
- the transus beta temperature of the alloy since it is fundamental not to exceed the transus beta temperature of the alloy, we will choose a temperature that does not exceed the temperature transus beta -15 0 C.
- This upper limit of the dissolution temperature is chosen according to the precision of the knowledge the transus beta temperature and the class of the process furnaces.
- forging sub-transus that is to say above the beta transition temperature, one will of course choose a solution temperature higher than the forging temperature.
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Abstract
L'invention concerne un procédé de traitement thermique d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE. De façon caractéristique, on réalise une étape de mise en solution à une température comprise entre ß transus -20 °C et ß transus -15 °C pendant une durée de 4 à 8 heures. Application à la fabrication de disques de compresseur haute pression.
Description
Procédés de traitement thermique et de fabrication d'une pièce thermoméca niαue réalisée dans un alliage de titane, et pièce thermomécaniαue résultant de ces procédés
L'invention concerne un procédé de traitement thermique d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE, un procédé de fabrication comportant un tel procédé de traitement thermique et une pièce thermomécanique résultant de ces procédés.
L'invention s'applique tout particulièrement, mais non limitativement aux pièces tournantes de turbomachines, telles que les disques, tourillons et rouets, et en particulier aux disques de compresseurs haute pression.
Actuellement, selon la technique utilisée par la demanderesse, les disques de compresseur haute pression sont obtenus par matriçage dans le domaine bêta de l'alliage de titane. En particulier, on utilise préférentiellement un alliage dénommé «6242» qui comporte environ 6 % d'aluminium, 2 % d'étain, 4 % de zirconium et 2 % de molybdène. Il s'agit plus précisément de l'alliage TA6Zr4DE selon la nomenclature métallurgique. Ce matriçage est réalisé environ à 1030 0C. Cette étape de matriçage est suivie d'un procédé de traitement thermique comprenant une étape de mise en solution dans le domaine alpha/bêta de l'alliage à la température de 970 0C, correspondant à la température de bêta transus -30 0C, pendant une heure. Cette étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe à l'huile ou dans un mélange eau-polymère. Ensuite on réalise un traitement de revenu à
595 0C pendant huit heures puis enfin on réalise un refroidissement à l'air.
Dans le cas de la mise en oeuvre de ce procédé de traitement thermique, on aboutit à un alliage présentant une microstructure grossière qui n'est pas favorable à une bonne tenue de l'alliage de titane, notamment selon un essai de fluage sous une contrainte imposée maintenue pendant un certain temps de maintien, notamment pour une gamme de température d'utilisation comprise entre -50 0C et +250 0C. Il s'agit du «dwell effect », à savoir à un fluage à température peu élevée (inférieure à 200 0C) qui conduit à un endommagement qui, couplé avec la fatigue oligocyclique, provoque une ruine prématurée de la pièce.
En particulier, l'application dans le domaine aéronautique, et en particulier pour un disque de compresseur haute pression est très propice à ce phénomène de «dwell effect » du fait que pendant les phases de décollage et d'atterrissage, les moteurs sont soumis à des conditions de fonctionnement dans le domaine de températures et de contraintes correspondant à ce phénomène. Ce phénomène peut conduire à des amorçages de criques de fatigue prématurées, voire à la rupture de la pièce.
Ce phénomène de «dwell effect » est très bien identifié par les constructeurs de turbomachines et il fait l'objet de nombreuses études ; de plus, il concerne tous les alliages de titane stabilisés en température : alliages de titane des classes bêta, alpha/bêta, presque alpha et alpha.
La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de traitement thermique d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane qui peut être mis en œuvre de façon industrielle et permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de limiter l'étendue du phénomène de «dwell effect ».
On cherche donc à améliorer le traitement thermique pour obtenir des pièces dont la durée de vie est augmentée, malgré les sollicitations cycliques subies à basse température.
A cet effet, selon la présente invention, le procédé de traitement thermique est caractérisé en ce qu'on réalise une étape de mise en solution à une température comprise entre β transus - 200C et β transus - 15°C pendant une durée de 4 à 8 heures.
Cette condition de température correspond à une température maximale de 985 0C environ. Cet écart par rapport à la température de β transus est une marge de sécurité, qui est liée à l'écart possible entre la température mesurée et la température réelle de l'alliage, permettant de garantir que l'on reste en dessous de la température de transition bêta. Cette étape de mise en solution est réalisée pendant 4 à 8 heures selon la taille de la pièce.
L'idée à la base de la présente invention correspond au fait qu'il a été constaté qu'il existe au sein du matériau des zones ou colonies, propices au phénomène de «dwell effect ». On constate que de telles colonies sont formées de grains allongés de phase alpha, de type aiguilles,
relativement gros et jointifs entre eux. Généralement, de tels grains présentent une longueur de plusieurs millimètres sur une largeur de l'ordre de 200 à 300 micromètres. De telles colonies constituent des emplacements au niveau desquels, lorsque des contraintes sont accumulées, il se produit une concentration importante de dislocations qui, lorsqu'elles s'activent, sans effet thermique particulier, peuvent provoquer des glissements entre les grains, ce qui peut conduire à des ruptures.
La présente invention se propose de mettre en oeuvre un traitement thermique permettant d'affiner la microstructure, en particulier la taille des aiguilles précitées, afin de minimiser les effets du «dwell effect», et ceci en diminuant l'étendue de libre circulation des dislocations, afin de minimiser leur accumulation et, de cette façon, le risque de rupture de la pièce.
C'est pour cette raison que de façon caractéristique, selon la présente invention, on réalise l'étape de mise en solution pendant une durée beaucoup plus longue que celle habituellement pratiquée. En effet, cette façon, on permet à la pièce de se rapprocher, voire d'atteindre, son équilibre microstructurale, ce qui permet de diminuer la taille, en longueur et en épaisseur, des aiguilles des colonies susceptibles de provoquer le «dwell effect ». Ce traitement permet d'obtenir une microstructure plus fine que celle de l'art antérieur, et donc de minimiser les conséquences du «dwell effect ».
De façon étonnante, cette augmentation de la durée de la mise en solution n'a pas pour conséquence, contrairement aux préjugés en vigueur dans ce domaine de la métallurgie, d'affecter les propriétés thermomécaniques du matériau. En effet, de façon tout à fait surprenante, les inventeurs ont, dans le cadre de l'invention présentée ici, mis en oeuvre un procédé de traitement thermique dont l'étape de mise en solution a été réalisée pendant une durée beaucoup plus importante que celle pratiquée habituellement, sans pour autant que le matériau résultant de l'ensemble du procédé de traitement thermique ne présente des caractéristiques thermomécaniques, et en particulier des propriétés de tenue en fatigue sous contrainte imposée, plus faibles que celles des matériaux résultants du procédé de traitement thermique de l'art antérieur.
En outre, la présente invention se propose de réaliser cette étape de mise en solution à une température relativement proche de la température de transition bêta, tout en restant strictement inférieure à cette dernière, et ceci afin d'obtenir une microstructure de la pièce finale dans les classes des alpha/bêta, presque alpha et alpha.
De cette manière, on comprend que par le simple allongement du temps de l'étape de mise en solution, il est possible d'obtenir des pièces thermomécaniques, en particulier des disques pour compresseur haute pression, ayant d'une part des durées de vie supérieure à celle des pièces obtenues selon les techniques précédemment mises en œuvre, mais en outre présentant des caractéristiques thermomécaniques (traction, fluage, fatigue sous contrainte imposée pendant un temps de maintien...) au moins aussi bonnes, tout en minimisant les risques de rupture par fatigue. Ainsi, le procédé de traitement thermique selon l'invention permet un gain d'un facteur de deux environ sur la tenue au "dwell" (chargement cyclique avec temps de maintien en charge - fluage - à chaque cycle) par rapport à un procédé de traitement, comme montré dans les essais décrits ci-dessous.
Avantageusement, ce procédé conforme à l'invention comporte en outre une étape selon laquelle on réalise, après l'étape de mise en solution, une étape de trempe de la pièce à une vitesse de refroidissement supérieure à 2000C / min, et de préférence comprise entre 300 et 4500C. De préférence, cette vitesse de refroidissement est la plus importante possible et de préférence supérieure à ou de l'ordre de 4000C / min. Ainsi, grâce à ce refroidissement rapide, on fige l'état de la microstructure dans sa situation à la fin de l'étape longue de mise en solution et on évite une nouvelle évolution de cette microstructure avec un grossissement des aiguilles des colonies de phase alpha propices au phénomène de «dwell effect ». Aussi, ce choix de vitesse de trempe élevée permet de favoriser la transformation de type martensitique (qui aboutit à une microstructure plutôt fine) de la phase bêta en phase alpha par rapport au phénomène de type germination/croissance (qui aboutit à une microstructure plutôt grossière).
Egalement, de préférence, à la fin du procédé de traitement thermique conforme à l'invention, le procédé comporte en outre les étapes suivantes :
- on réalise, après l'étape de trempe, une étape de revenu à une température de l'ordre de 595°C pendant une durée de l'ordre de 8h, puis
- on réalise une étape de refroidissement à l'air.
Outre le procédé de traitement thermique qui vient d'être présenté, la présente invention porte également sur un procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane, par matriçage dans le domaine β, comprenant un tel procédé de traitement thermique.
Egalement, la présente invention porte sur une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane dont le procédé de fabrication comporte le procédé de traitement thermique précité ou résultant du procédé de fabrication qui vient d'être présenté.
De préférence, cette pièce thermomécanique en titane forme une pièce tournante d'une turbomachine, et en particulier un disque de compresseur, notamment de compresseur haute pression.
Enfin, la présente invention se rapporte également à une turbomachine équipée d'une pièce thermomécanique selon l'une des définitions données ci-dessus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre la microstructure obtenue selon le procédé de traitement thermique classique de l'art antérieur ;
- la figure 2 montre la microstructure obtenue selon le procédé de traitement thermique classique de l'art antérieur modifié par une vitesse de trempe plus rapide ; - la figure 3 montre la microstructure obtenue selon le procédé de traitement thermique selon la présente invention ;
- la figure 4 montre la microstructure obtenue selon le procédé de traitement thermique selon la présente invention avec une vitesse de trempe plus rapide ; et, - la figure 5 montre les résultats d'un test de fluage sous charge cyclique avec un temps de maintien en charge, pour une pièce
résultant du procédé de l'art antérieur et pour une pièce obtenue par le procédé conforme à l'invention.
On rappelle que la présente invention concerne tous les types d'alliage de titane stabilisés en température : alliages de titane des classes bêta, alpha/bêta, presque alpha et alpha (on parle ici de la structure de la pièce finie).
On rappelle en quoi consiste le traitement thermique classique de l'art antérieur utilisé notamment par la demanderesse pour des disques de compresseur haute pression réalisés dans un alliage dénommé «6242» cité en introduction.
Ces disques sont obtenus par forgeage par matriçage à chaud dans le domaine bêta de l'alliage de titane.
Cette étape de matriçage est suivie d'un procédé de traitement thermique comprenant une étape de mise en solution dans le domaine alpha/bêta de l'alliage à la température de 970 0C, correspondant à la température de bêta transus -30 0C, pendant une heure. Cette étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe à l'huile ou dans un mélange eau-polymère (vitesse de refroidissement de l'ordre de
200°C/min et compris entre 130 et 250°C/min). Ensuite on réalise un traitement de revenu à 595°C pendant huit heures puis enfin on réalise un refroidissement à l'air.
On obtient un matériau présentant la microstructure visible sur la figure 1, présentant des colonies constituées d'aiguilles de phase bêta parallèles entre elles. Ces aiguilles présentent une section de forme allongée visible sur la figure s'étendant souvent sur plusieurs centaines de micromètres.
Sur la figure 2, la microstructure visible correspond à celle d'un alliage de titane identique à celui de la figure 1, ayant subi le traitement thermique précité aux deux différences suivantes près : - la température de mise en solution est de bêta transus -200C
(environ 980 0C), au lieu de bêta transus -30 0C, et
- la vitesse de trempe utilisée lors du procédé de traitement thermique est nettement plus rapide : 4000C /min au lieu de 2000C /min, en utilisant par exemple une trempe à l'eau au lieu d'une trempe à l'huile, et en ayant pris soin d'éviter les surépaisseurs de matières par un usinage éventuel préalable des zones les plus épaisses.
Dans ce cas, les colonies d'aiguilles parallèles comporte des aiguilles plus dissemblables en tailles et en particulier il y a moins de grandes aiguilles. Néanmoins, même en moins grand nombre, on peut s'attendre à ce que ces grandes aiguilles soient suffisantes en nombre pour que le phénomène de « dwell effect » entraîne des accumulations de dislocations susceptibles d'engendrer des risques de rupture.
Si on se rapporte maintenant à la figure 3 ou à la figure 4, il s'agit des microstructures obtenues selon le procédé conforme à la présente invention. Plus précisément, par rapport au procédé de traitement thermique classique exposé précédemment en relation avec la figure 1, le traitement mis en œuvre pour aboutir à la microstructure de la figure 3, on réalise :
- une mise en solution à la température de bêta transus -20 0C (environ 980 0C), au lieu de bêta transus -30 0C, et
- cette mise en solution est effectuée pendant 8 heures au lieu d'1 heure.
Dans ce cas, comme il ressort de la figure 3, les aiguilles sont toutes de taille plus petite en section, leur longueur restant inférieure à 100 micromètres, et généralement de l'ordre de 50 micromètres. Ainsi, on comprend que la diminution de la taille des aiguilles s'accompagne d'une diminution de leur volume et des surfaces jointives entre aiguilles, ce qui freine l'aptitude au déplacement des défauts tels que les dislocations ou les lacunes, qui parcourent ainsi des distances plus faibles et présentent moins de possibilités de s'accumuler. Dans le cas de la figure 4, par rapport au traitement thermique de l'alliage visible à la figure 3, on a en outre réalisé une trempe à une vitesse plus importante, de 4000C /min au lieu de 2000C /min.
On recherchera donc à augmenter la vitesse de trempe au dessus de la valeur de 2000C /min, en approchant si possible 4000C /min. II faut cependant éviter une vitesse de refroidissement trop importante, risquant l'apparition de tapures de trempe. Notamment, au-delà de 450°C/min, on risque d'induire des contraintes rédhibitoires à tout usinage ultérieur, voire on risque de casser la pièce.
En terme de microstructure, comme on le voit sur la figure 4, le résultat est similaire à celui de la figure 3.
Ainsi, il apparaît que l'augmentation de la vitesse de trempe et/ou l'allongement de la durée de l'étape de mise en solution permet de diminuer les endommagements du matériau entraînés par une sollicitation cyclique, qui est un autre facteur de ruine du matériau, venant classiquement s'ajouter à l'endommagement par fluage.
Plus précisément, par ces modifications de traitements, on fige davantage les microstructures à une taille plus petite que celles qui génèrent les endommagements du matériau. Ainsi, on évite l'accumulation d'aiguilles ou grains, sous la forme de paquets d'aiguilles parallèles de taille importante qui, à la façon d'un grain unique, concentrent les défauts, au bord de leur interface.
Ainsi, en diminuant à la fois la taille des colonies formées de paquets d'aiguilles parallèles et la taille des aiguilles elles-mêmes, on créé pour les défauts, et en particulier pour les lacunes, davantage d'obstacles dans leur progression avant leur possible regroupement.
Des échantillons provenant, d'une part, de matériaux obtenus selon le procédé de traitement thermique de l'art antérieur et conformes à la microstructure de la figure 1, et d'autre part, de matériaux obtenus selon le procédé de traitement thermique de la présente invention et conformes à la microstructure de la figure 3, ont été testés en fluage.
Plus précisément, on a réalisé un test sous chargement cyclique avec temps de maintien en charge, de type cycle en forme de trapèze : montée en charge pendant Is, palier de maintien en charge de 120s à 868 MPa, puis descente à charge nulle pendant Is. Les résultats de ce test sont visibles sur la figure 5 qui est un graphique indiquant le rapport déformation sur allongement sous chargement cyclique avec temps de maintien en fonction du nombre de cycles, jusqu'à la rupture.
La courbe A représente le résultat de cet essai pour des matériaux obtenus selon le procédé de traitement thermique de l'art antérieur et conformes à la microstructure de la figure 1
La courbe B représente le résultat de cet essai pour des matériaux obtenus selon le procédé de traitement thermique de la présente invention et conformes à la microstructure de la figure 4. Cet essai normalisé montre donc que le procédé de traitement thermique de la présente invention permet de pratiquement doubler le
nombre de cycles avant rupture puisqu'on passe de 5500 cycles à 10000 cycles.
Ainsi, la présente invention permet, de façon surprenante, notamment grâce au rallongement de la durée de l'étape de mise en solution, d'améliorer notablement la durée de vie en test de tenue à la fatigue avec temps de maintien. Ceci est principalement dû au fait que cet allongement permet d'affiner la microstructure et notamment de diminuer la taille des aiguilles de phase alpha formant les colonies sensibles au phénomène de « dwell effect ». En pratique, pour des grosses pièces qui n'autorisent pas des vitesses de trempe importantes, on choisit des temps de mise en solution plus long (par exemple 8 heures) et pour des pièces plus fines pour lesquelles la vitesse de trempe de 400°C/min peut être atteinte, des temps de mise en solution plus courts (par exemple 4 heures) peuvent être appliqués.
D'autre part, on sait que l'augmentation de la température de mise en solution favorise la mise en solution de la phase alpha primaire grossière pour la transformer en phase bêta. Toutefois, puisqu'il est fondamental de ne pas dépasser la température transus bêta de l'alliage, on choisira une température qui ne dépasse pas la température transus bêta -15 0C. Cette limite haute de la température de mise en solution est choisie suivant la précision de la connaissance la température de transus bêta et la classe des fours de traitement. De plus, dans le cas d'un forgeage sub transus, c'est à dire au-dessus de la température de transition bêta, on choisira bien entendu une température de mise en solution supérieure à la température de forgeage.
D'autres essais (traction, fluage, fatigue avec temps de maintien sous contrainte maximale...) mesurant la tenue mécanique des matériaux obtenus par le procédé conforme à l'invention ont confirmés qu'ils ont globalement conservé leurs propriétés mécaniques par rapport aux alliages de titane obtenus par le procédé classique, c'est-à-dire que ces résultats restent dans la moyenne des statistiques des résultats obtenus pour des pièces analogues pour lesquelles le traitement thermique n'a pas été modifié conformément à la présente invention.
Claims
1. Procédé de traitement thermique d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE, caractérisé en ce qu'on réalise une étape de mise en solution à une température comprise entre β transus - 200C et β transus - 15°C pendant une durée de 4 à 8 heures.
2. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape suivante :
- on réalise, après l'étape de mise en solution, une étape de trempe de la pièce à une vitesse de refroidissement supérieure à 2000C / min.
3. Procédé de traitement thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement, lors de l'étape de trempe de la pièce est comprise entre 300 et 4500C.
4. Procédé de traitement thermique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes :
- on réalise, après l'étape de trempe, une étape de revenu à une température de l'ordre de 595°C pendant une durée de l'ordre de 8h, puis
- on réalise une étape de refroidissement à l'air.
5. Procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane, par matriçage dans le domaine β, comprenant un procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
6. Pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane dont le procédé de fabrication comporte le procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou résultant du procédé de fabrication selon la revendication 5.
7. Pièce thermomécanique selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'elle forme une pièce tournante d'une turbomachine.
8. Pièce thermomécanique selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle forme un disque de compresseur haute pression.
9. Turbomachine comprenant une pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 5 à 8.
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