EP2344290B1 - Procede de forgeage d'une piece thermomecanique en alliage de titane. - Google Patents

Procede de forgeage d'une piece thermomecanique en alliage de titane. Download PDF

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EP2344290B1
EP2344290B1 EP09748827.4A EP09748827A EP2344290B1 EP 2344290 B1 EP2344290 B1 EP 2344290B1 EP 09748827 A EP09748827 A EP 09748827A EP 2344290 B1 EP2344290 B1 EP 2344290B1
Authority
EP
European Patent Office
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forging
blank
beta
billet
titanium alloy
Prior art date
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Active
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EP09748827.4A
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EP2344290A1 (fr
Inventor
Xavier Baudequin
Gilbert Leconte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2344290A1 publication Critical patent/EP2344290A1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/04—Shaping in the rough solely by forging or pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • B21K3/04—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots
    • 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 invention relates to a process for forging a thermomechanical part made from a beta or alpha / beta titanium alloy.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a thermomechanical part comprising this forging method.
  • thermomechanical part resulting from this forging process or from this manufacturing process, said thermomechanical part being a forged beta / alpha / beta alloy forging part having a fine and homogeneous microstructure with a grain size of l. of the order of 50 to 100 ⁇ m.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising such a thermomechanical part.
  • EP 1 340 832 A1 discloses a process for forging beta or quasi-beta titanium alloys in which at least two forging steps are carried out comprising a first step in sub or super beta transus and a last step in super beta transus. During the forging process, the reduction rate at each step is greater than or equal to 2. This document takes account of a deformation on a macroscopic scale and not of a microscopic order.
  • the document JP 11077212 A1 discloses a method of forging a titanium ingot in which a first forging is performed at a low temperature in an alfa temperature range to give a first deformation to the ingot and then a second forging is performed in a beta temperature range, which is higher than the alfa range, and for each forging operation, the working ratio can take the values of 10%, 30% and 50%.
  • the invention defined in claims 1, 12 and 14, applies very particularly, but not restrictively, to the rotating parts of turbomachines, such as the discs, journals and impellers, and in particular to the discs of high pressure compressors, in particular to DAM (monobloc bladed discs). Such rotating parts typically have a thickness greater than 10 mm, or even 20 or 30 mm.
  • the present invention relates to all types of temperature-stabilized titanium alloy: titanium alloys of the beta and alpha / beta classes (we are talking here about the structure of the finished part).
  • the present invention relates very particularly to titanium alloys called “alpha / beta forged beta”, the designation “alpha / beta” corresponding to the microstructure of the part, namely with coexistence of the alpha and beta phases of titanium, this part being placed.
  • the forging process comprises in particular a final step of deformation by stamping in the beta domain of the titanium alloy.
  • beta domain of the titanium alloy corresponds to temperatures above the temperature of beta transus T ⁇ , temperatures below the temperature of beta transus T ⁇ corresponding to the alpha / beta domain.
  • the forging process corresponds to the diagram of the figure 1 , described below.
  • a titanium alloy ingot obtained by fusion is transformed into a billet having any desired shape, which is mostly a cylindrical shape.
  • Such a billet constitutes a semi-finished product and is obtained by one or more fusions of the parent alloy and then the casting of an ingot itself forged according to a precise thermomechanical cycle (which does not correspond to the forging process according to the present invention. ), in order to reduce the cross section of the ingot and obtain the billet with controlled metallurgical and dimensional characteristics.
  • the fusion (s ) are carried out according to one of the following techniques: remelting with a vacuum arc (“VAR” for “Vacuum Arc Remelting”) , remelting by electron beam in a cold crucible (“ EBCHR ”for“ Electron Beam Cold Heart Remelting ”) or by the technique of fusion by plasma beam (“ PAM ”for“ Plasma Arc Melting ”).
  • VAR vacuum arc
  • EBCHR Electron Beam Cold Heart Remelting
  • PAM plasma Arc Melting
  • This billet is then subjected to the forging process illustrated on figure 1 according to a plot of the temperature to which the billet is subjected as a function of time.
  • a first forging step is carried out, generally but not systematically, consisting of one or more intermediate forging or “blank forging”.
  • the billet is first heated (reference a) between times t 0 and t 1 from ambient temperature T 0 to temperature T 1 below the beta transus temperature T ⁇ .
  • this temperature T 1 is of the order of the beta transus temperature T ⁇ - 60 ° C and this rise in temperature, depending on the massiveness of the billet, takes, for example, about 2 hours for a billet of a diameter of 200 mm.
  • the billet is maintained at the temperature T 1 (mark b) between the times t 1 and t 2 , corresponding to a duration of about 1 hour or more, to ensure that all of the material constituting the billet has reached this temperature T 1 , before proceeding with the forging operation proper (reference c), that is to say the hot plastic deformation by press (stamping), pestle, rolling mill, etc. billet between the moments t 2 and t 3 , corresponding to a duration of a few tens of seconds, thus forming a blank.
  • the forging operation proper that is to say the hot plastic deformation by press (stamping), pestle, rolling mill, etc. billet between the moments t 2 and t 3 , corresponding to a duration of a few tens of seconds, thus forming a blank.
  • the blank being in the open air, it follows a natural cooling of a few tens of ° C of the surface of the part, while the core of the part either cools a little or heats up by a few ° C depending on the massiveness of the part and the forging conditions, in particular the rate of deformation.
  • the blank is allowed to cool (reference d) to ambient temperature T 0 , between times t 3 and t 4 , corresponding to a duration of approximately a few tens of minutes.
  • an alternative consists in starting a second rough forging earlier by heating (item e) the roughing between times t 3 and t 4 of the first rough forging, i.e. not to wait for complete cooling. up to ambient temperature T 0 of the blank (mark d of the first blank forging).
  • the second blank forging is started by resuming the rise in temperature of the blank (reference e) up to temperature T 1 then one continues with a temperature maintenance (reference b ') preceding the forging operation. proper (reference c ').
  • This alternative makes it possible to reduce the time for implementing the forging process without the risk of causing the microstructure of the billet to change during complete cooling and a subsequent rise in temperature (marks d and a ′).
  • the second stage of forging or final forging which begins at time t n , it takes up stages similar to those of rough forging except for the value of the temperature at which The blank is carried before the actual forging operation is carried out, since it is the temperature T 2 greater than the beta transus temperature T ⁇ .
  • this temperature T 2 is of the order of the beta transus temperature T ⁇ + 25 ° C.
  • the final forging comprises heating the blank (reference A) between times t n and t n + 1 from ambient temperature T 0 to temperature T 2 , then maintaining temperature T 2 (reference B) between times t n + 1 and t n + 2 , before proceeding with the actual forging operation (reference C) of the blank between times t n + 2 and t n + 3 .
  • This forging operation (reference C) of the blank is carried out at temperature T 2 , in the beta range (temperature greater than T ⁇ ), the gradual cooling of the blank during this forging operation possibly leading to 'a part of the blank subjected to the forging operation has a temperature below T ⁇ and is therefore also forged at a temperature corresponding to the alpha / beta domain.
  • the forging part thus obtained is cooled (reference D), referred to as a forging blank or forged part, to the ambient temperature T 0 between the times t n + 3 and t n + 4 .
  • the other forging parameters of the rough forging and final forging stages including forging speed, transfer time between heating furnace and forging equipment, transfer time between forging equipment and system cooling of the part after forging are defined according to the geometry and the massiveness of the part on the one hand and the industrial equipment available on the other hand.
  • the number of rough forging as well as the characteristics of each forging operation proper (marks c, c ', ... C) of the rough forging and final forging stages in particular the choice of forging equipment (hydraulic press , mechanical screw press, ram, rolling mill), the position of the billet / blank in relation to the forging tool, the level of stress exerted and the duration, as well as the number of repetitions are defined for each type of part, according to its geometry and massiveness, according to a pre-established procedure making it possible to progressively deform the billet then the blank by forming, at the end of the process forging, a forged part having the required geometric characteristics.
  • the titanium alloy billet subjected to the forging manufacturing process described above initially has heterogeneous microstructures.
  • the case may be encountered of a microstructure containing one or more large grains of titanium, which may have a dimension of up to several millimeters, or even of the order of a centimeter, in particular of titanium in the beta phase.
  • These large grains not recrystallized into smaller grains form isolated islands which, because of their large size, are not refined, that is to say transformed into recrystallized grains of smaller size by the forging process described above.
  • the object of the present invention is to provide a forging process making it possible to overcome the drawbacks of the prior art and in particular offering the possibility of eliminating in the blank any presence of heterogeneous microstructures and in particular of a possible presence of coarse grains in the starting billet, in order to provide a homogeneous microstructure of the forged part.
  • the method is characterized in that said forging operation of the blank forging step produces at any point of said billet a local deformation greater than a minimum deformation rate of at least 0.2.
  • deformation rate is meant here the plastic deformation cumulated at a point of the part, also called equivalent deformation, which is therefore considered on the part having undergone the rough forging operation considered.
  • the solution according to the present invention amounts to modifying the deformation conditions imposed on the billet during the forging process at the time of the forging operation proper (mark c and / or c ') of at least one of the forging operation.
  • rough forging steps that is to say for the forging operation (s) carried out in the alpha / beta domain, namely below the beta transus temperature T ⁇ .
  • the solution according to the invention on the one hand is applied during the rough forging step, and not during the final forging step, and on the other hand is based on a local minimum deformation, and not on a minimum overall deformation of the part.
  • the applicant has observed that the final forging step does not allow, and this regardless of the rate of deformation local affected, to produce fine and homogeneous microstructures, in particular if the blank (or the billet) first has a heterogeneous microstructure, in particular a microstructure with isolated coarse grains.
  • This solution also has the additional advantage of making it possible, moreover, to avoid a modification of the conditions for carrying out the final forging step which, due to the temperature reached (temperature T 2 > beta transus temperature T ⁇ ), is relatively difficult to implement.
  • a minimum deformation rate is provided, due to the forging operation proper of the blank forging step, of at least 0.2, preferably said minimum deformation rate is 0.3 and preferably 0.4.
  • the process relates to an alpha-beta type titanium alloy.
  • thermomechanical part obtained is a forged alpha / beta alloy forged beta part which has a finer or more refined microstructure compared to the microstructure of the starting billet, the fine microstructure obtained having a typical grain size of the order of a few hundred micrometers at most.

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Description

  • L'invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane bêta ou alpha/bêta.
  • L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique comportant ce procédé de forgeage.
  • L'invention porte en outre sur une pièce thermomécanique résultant de ce procédé de forgeage ou de ce procédé de fabrication, ladite pièce thermomécanique étant une pièce forgée en alliage alpha/bêta forgé bêta présentant une microstructure fine et homogène avec une taille de grain de l'ordre de 50 à 100 µm.
  • L'invention porte également sur une turbomachine comprenant une telle pièce thermomécanique. Le document EP 1 340 832 A1 divulgue un procédé de forgeage d'alliages en titane bêta ou quasi bêta dans lequel on réalise au moins deux étapes de forgeage comprenant une première étape en sub ou super transus bêta et une dernière étape en super transus bêta. Lors du procédé de forgeage, le taux de réduction à chaque étape est supérieur ou égal à 2. Ce document tient compte d'une déformation à l'échelle macroscopique et non pas d'ordre microscopique.
  • De plus, le document JP 11077212 A1 divulgue un procédé de forgeage d'un lingot de titane dans lequel un premier forgeage est réalisé à une température basse dans un domaine de température alfa pour donner une première déformation au lingot puis un second forgeage est réalisé dans un domaine de température bêta, qui est supérieur au domaine alfa, et pour chaque opération de forgeage, le rapport de travail peut prendre les valeurs de 10%, 30% et 50%. L'invention définie dans les revendications 1, 12 et 14, 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, notamment aux DAM (disques aubagés monobloc). De telles pièces tournantes présentent typiquement une épaisseur supérieure à 10 mm, voire à 20 ou 30 mm.
  • La présente invention concerne tous les types d'alliage de titane stabilisés en température : alliages de titane des classes bêta et alpha/bêta (on parle ici de la structure de la pièce finie).
  • La présente invention concerne tout particulièrement les alliages de titane dénommés « alpha/bêta forgés bêta », la mention « alpha/bêta » correspondant à la microstructure de la pièce, à savoir avec coexistence des phases alpha et bêta de titane, cette pièce étant mise en forme par forgeage. Le procédé de forgeage comporte notamment une étape finale de déformation par matriçage dans le domaine bêta de l'alliage de titane.
  • On rappelle que le domaine bêta de l'alliage de titane correspond à des températures supérieures à la température de bêta transus Tβ, les températures inférieures à la température de bêta transus Tβ correspondant au domaine alpha/bêta.
  • Actuellement, selon la technique utilisée par la demanderesse pour fabriquer les disques de compresseur haute pression y compris les DAM, le procédé de forgeage correspond au diagramme de la figure 1, décrit ci-après.
  • Au départ, un lingot en alliage de titane obtenu par fusion est transformé en une billette présentant toute forme souhaitée, qui est la plupart du temps une forme cylindrique.
  • Une telle billette constitue un demi-produit et est obtenue par une ou plusieurs fusions de l'alliage mère puis la coulée d'un lingot lui-même forgé selon un cycle thermomécanique précis (qui ne correspond pas au procédé de forgeage selon la présente invention), et ce afin de réduire la section du lingot et obtenir la billette avec des caractéristiques métallurgiques et dimensionnelles contrôlées.
  • A titre d'exemple, la ou les fusions sont opérées selon l'une des techniques suivantes : refusion à l'arc sous vide (« VAR » pour « Vacuum Arc Remelting»), refusion par faisceau d'électrons en creuset froid (« EBCHR » pour « Electron Beam Cold Heart Remelting ») ou par la technique de fusion par faisceau plasma (« PAM » pour « Plasma Arc Melting »).
  • Cette billette est ensuite soumise au procédé de forgeage illustré sur la figure 1 selon un tracé de la température à laquelle est soumise la billette en fonction du temps.
  • Dans un premier temps, on réalise, généralement mais non systématiquement, une première étape de forgeage, consistant en un ou plusieurs forgeage intermédiaire ou « forgeage ébauche ».
  • Lors de ce forgeage ébauche, la billette est d'abord chauffée (repère a) entre les moments t0 et t1 depuis la température ambiante T0 jusqu'à la température T1 inférieure à la température de bêta transus Tβ. Habituellement, cette température T1 est de l'ordre de la température de bêta transus Tβ - 60°C et cette montée en température, dépendante de la massivité de la billette, prend, par exemple, environ 2 heures pour une billette d'un diamètre 200 mm.
  • Ensuite, la billette est maintenue à la température T1 (repère b) entre les moments t1 et t2, correspondant à une durée d'environ 1 heure ou plus, pour s'assurer que l'ensemble de la matière constituant la billette a atteint cette température T1, avant de procéder à l'opération de forgeage proprement dite (repère c), c'est-à-dire à la déformation plastique à chaud par presse (matriçage), pilon, laminoir...de la billette entre les moments t2 et t3, correspondant à une durée de quelques dizaines de secondes, en formant ainsi une ébauche. Pendant cette opération de forgeage, l'ébauche étant à l'air libre, il s'ensuit un refroidissement naturel de quelques dizaines de °C de la surface de la pièce, tandis que le cœur de la pièce soit se refroidit un peu soit se réchauffe de quelques °C selon la massivité de la pièce et les conditions de forgeage, notamment la vitesse de déformation.
  • Enfin, pour finir le forgeage ébauche, on laisse refroidir l'ébauche (repère d) jusqu'à la température ambiante T0, entre les moments t3 et t4, correspondant à une durée d'environ quelques dizaines de minutes.
  • A partir du moment t4, soit on laisse l'ébauche à la température ambiante T0 jusqu'au moment tn à partir duquel débute la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, soit on effectue un deuxième ou plusieurs autres forgeage(s) ébauche(s) (repères a', b', c', d' pour un deuxième forgeage ébauche) similaire(s) au premier forgeage ébauche (repères a, b, c, d) décrit précédemment. Ainsi, lorsqu'on réalise un deuxième ou plusieurs autres forgeage(s) ébauche(s) avant de réaliser la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, il s'agit toujours de procéder à l'opération de forgeage proprement dite à une température T1 inférieure à la température de bêta transus Tβ, en particulier la même température T1 que celle du premier forgeage ébauche.
  • Dans ce dernier cas, une alternative consiste à démarrer plus tôt un deuxième forgeage ébauche en réchauffant (repère e) l'ébauche entre les moments t3 et t4 du premier forgeage ébauche, c'est à dire à ne pas attendre le refroidissement complet jusqu'à la température ambiante T0 de l'ébauche (repère d du premier forgeage ébauche). Dans ce cas, on débute le deuxième forgeage ébauche en reprenant la montée en température de l'ébauche (repère e) jusqu'à la température T1 puis on continue avec un maintien en température (repère b') précédant l'opération de forgeage proprement dite (repère c'). Cette alternative permet de réduire le temps de mise en œuvre du procédé de forgeage sans risque de faire évoluer la microstructure de la billette pendant un refroidissement complet et une remontée en température ultérieure (repères d et a').
  • S'agissant de la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, qui débute au moment tn, elle reprend des étapes similaires de celles du forgeage ébauche à l'exception de la valeur de la température à laquelle est portée l'ébauche avant la réalisation de l'opération de forgeage proprement dite, puisqu'il s'agit de la température T2 supérieure à la température de bêta transus Tβ. Habituellement, cette température T2 est de l'ordre de la température de bêta transus Tβ +25°C.
  • Plus précisément, le forgeage final comporte une chauffe de l'ébauche (repère A) entre les moments tn et tn+1 depuis la température ambiante T0 jusqu'à la température T2, puis un maintien en température T2 (repère B) entre les moments tn+1 et tn+2, avant de procéder à l'opération de forgeage proprement dite (repère C) de l'ébauche entre les moments tn+2 et tn+3. Cette opération de forgeage (repère C) de l'ébauche est réalisée à la température T2, dans le domaine bêta (température supérieure à Tβ), le refroidissement progressif de l'ébauche pendant cette opération de forgeage pouvant conduire éventuellement à ce qu'une partie de l'ébauche soumise à l'opération de forgeage présente une température à inférieure à Tβ et soit donc forgée également à une température correspondant au domaine alpha/bêta. Enfin, on procède au refroidissement de la pièce forgée ainsi obtenue (repère D), dite pièce brute de forge ou pièce forgée, jusqu'à la température ambiante T0 entre les moments tn+3 et tn+4.
  • Les autres paramètres de forge des étapes de forgeage ébauche et de forgeage final, notamment la vitesse de forgeage, le temps de transfert entre le four de chauffe et l'équipement de forgeage, le temps de transfert entre l'équipement de forgeage et le système de refroidissement de la pièce après forgeage sont définis en fonction de la géométrie et de la massivité de la pièce d'une part et des équipements industriels disponibles d'autre part.
  • Le nombre de forgeage ébauche ainsi que les caractéristiques de chaque opération de forgeage proprement dite (repères c, c', ... C) des étapes de forgeage ébauche et de forgeage final, notamment le choix de l'équipement de forgeage (presse hydraulique, presse mécanique à vis, pilon, laminoir), la position de la billette/l'ébauche par rapport à l'outil de forgeage, le niveau de contrainte exercé et la durée, ainsi que le nombre de répétitions sont définis pour chaque type de pièce, selon sa géométrie et sa massivité, selon une procédure pré-établie permettant de déformer progressivement la billette puis l'ébauche en formant, à l'issue du procédé de forgeage, une pièce forgée présentant les caractéristiques géométriques requises.
  • Lors de chaque opération de forgeage proprement dite (repères c, c', ... C) des étapes de forgeage ébauche et de forgeage final, on réalise une déformation de la pièce d'ordre macroscopique et microscopique.
  • A l'issue du forgeage final, on obtient une pièce forgée formant un produit que l'on peut qualifier de produit fini en ce sens que ce produit ne fait ensuite plus l'objet d'opérations ultérieures de forge et/ou de déformation plastique ; ce produit allant ensuite être usiné et subir des traitements complémentaires, notamment de conditionnement de surface en fonction de ses caractéristiques d'emploi, notamment au sein du moteur formant la turbomachine.
  • Ce procédé de fabrication d'une pièce forgée de l'art antérieur est la plupart du temps satisfaisant. Cependant, il existe dans certains cas un risque de formation d'une pièce forgée qui ne répond pas de façon correcte à tous les critères garantissant des propriétés mécaniques d'usage.
  • En effet, il s'avère que parfois, malgré toutes les précautions prises lors de son élaboration, la billette d'alliage de titane soumise au procédé de fabrication par forgeage décrit précédemment présente au départ des microstructures hétérogènes. En particulier on peut rencontrer le cas d'une microstructure contenant un ou plusieurs gros grains de titane, pouvant présenter une dimension allant jusqu'à plusieurs millimètres, voire de l'ordre du centimètre, notamment de titane en phase bêta. Ces gros grains non recristallisés en grains plus petits forment des îlots isolés qui, du fait de leur taille importante, ne sont pas affinés c'est à dire transformés en grains recristallisés de plus petite taille par le procédé de forgeage décrit précédemment.
  • Cette situation se présente tout particulièrement du fait de la taille importante des pièces concernées, et notamment de leur hauteur significative qui peut être de l'ordre 100 à 200 mm, voire jusqu'à 250 mm, de sorte que les billettes (ou lopins) de départ présentent elles-mêmes des dimensions importantes, par exemple de l'ordre de 250 mm pour leur diamètre.
  • La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de forgeage permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de faire disparaître dans l'ébauche toute présence de microstructures hétérogènes et en particulier d'une éventuelle présence de gros grains dans la billette de départ, afin de fournir une microstructure homogène de la pièce forgée.
  • A cet effet, la présente invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique en alliage de titane bêta ou alpha/bêta, comportant les étapes suivantes :
    • on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une température de bêta transus Tβ ;
    • on réalise au moins une étape de forgeage ébauche de ladite billette, dans laquelle on chauffe ladite billette à une température T1 inférieure à la température de bêta transus Tβ avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite billette subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une ébauche, puis on laisse refroidir l'ébauche ;
    • on réalise une étape de forgeage final de ladite ébauche, dans laquelle on chauffe ladite ébauche à une température T2 supérieure à la température de bêta transus Tβ avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite ébauche subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une pièce forgée puis on procède au refroidissement de la pièce forgée.
  • Selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce que ladite opération de forgeage de l'étape de forgeage ébauche réalise en tout point de ladite billette une déformation locale supérieure à un taux de déformation minimal d'au moins 0,2.
  • Par taux de déformation, on entend ici la déformation plastique cumulée en un point de la pièce, appelée aussi déformation équivalente, qui est donc considérée sur la pièce ayant subie l'opération de forgeage ébauche considérée.
  • Il s'agit donc de réaliser pendant l'étape de forgeage ébauche (ou au moins une des étapes de forgeage ébauche s'il y en a plus d'une) une opération de forgeage qui réalise une déformation locale minimale en tout point de la billette, c'est-à-dire que l'on impose à cette dernière non seulement une déformation globale mais surtout une déformation locale minimale en tout point.
  • Ainsi, la solution selon la présente invention revient à modifier les conditions de déformation imposées à la billette pendant le procédé de forgeage au moment de l'opération de forgeage proprement dite (repère c et/ou c') de l'une au moins des étapes de forgeage ébauche, c'est-à-dire pour la ou les opérations de forgeage réalisées dans le domaine alpha/bêta, à savoir en dessous de la température de bêta transus Tβ.
  • Il faut noter que la solution selon l'invention d'une part s'applique pendant l'étape de forgeage ébauche, et non pendant l'étape de forgeage final, et d'autre part repose sur une déformation minimale locale, et non sur une déformation minimale globale de la pièce.
  • Il existe des procédés de forgeage tels que celui présenté en introduction, dans lesquels on impose une déformation minimale de l'ébauche pendant l'opération de forgeage C de l'étape de forgeage final dans le domaine bêta, qui est réalisée à la température T2. Ainsi, pour certaines applications, la demanderesse applique un taux de déformation supérieur à 0,7 en tout point de la pièce en cours de forgeage, c'est à dire que chaque point de la pièce après forgeage final dans le domaine bêta a subi un taux de déformation supérieur à 0,7.
  • Cette déformation locale minimale imposée pendant l'étape de forgeage final dans le domaine bêta permet d'obtenir une microstructure fine constituée d'ex grains beta.
  • Dans ce cas, malgré le fait que la pièce se trouve à une température supérieure à la température de bêta transus Tβ,, la demanderesse a constaté que l'étape de forgeage final ne permet pas, et ceci quel que soit le taux de déformation local atteint, de produire des microstructures fines et homogène, notamment si l'ébauche (ou la billette) présente au préalable une microstructure hétérogène, en particulier une microstructure à gros grains isolés.
  • Selon l'invention, on comprend que malgré le fait que l'opération de forgeage au cours de laquelle on impose un taux minimal de déformation en tout point de la billette se déroule à une température inférieure à la température de bêta transus Tβ , on arrive, de façon inattendue, à produire des microstructures fines et homogène pour la pièce forgée si l'ébauche (ou la billette) présente une microstructure hétérogène, en particulier une microstructure à gros grains isolés.
  • Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, en outre, d'éviter une modification des conditions de réalisation de l'étape de forgeage final qui, du fait de la température atteinte (température T2>température de bêta transus Tβ), est relativement délicate à mettre en oeuvre.
  • On prévoit, en tout point de la billette, un taux de déformation minimal, du à l'opération de forgeage proprement dite de l'étape de forgeage ébauche, d'au moins 0,2, de préférence ledit taux de déformation minimal est de 0,3 et de façon privilégiée de 0,4.
  • Dans la pratique, on vérifie que la déformation locale minimale a bien eu lieu en tout point de la billette au moyen d'outils informatiques de simulation numérique de l'opération de forgeage proprement dite.
  • Ainsi, grâce à de tels outils informatiques, on peut vérifier que les critères de déformation minimaux sont respectés.
  • De préférence, le procédé concerne un alliage de titane de type alpha-bêta.
  • En particulier, on utilise préférentiellement l'un des deux alliages suivants :
    • l'alliage de titane dénommé « Ti 6242» ou Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, qui comporte environ 6% d'aluminium, 2% d'étain, 4% de zirconium et 2% de molybdène (alliage TA6Zr4DE selon la nomenclature métallurgique),
    • l'alliage de titane dénommé «Ti 17» ou TACD4 ou Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr, qui comporte environ 5% d'aluminium, 4% de molybdène, 4% de chrome, 2% d'étain, et 2% de zirconium.
  • Sur les figures 2 et 3 sont respectivement visibles des photographies de microstructures correspondant à la situation précédant la réalisation du procédé de forgeage selon l'invention, et la microstructure modifiée résultant du procédé de forgeage selon l'invention.
  • Ainsi, sur la figure 2, on distingue un très gros grain de phase bêta non recristallisé, d'une taille de l'ordre de 20 x 8 mm observé sur billettes.
  • Dans cet exemple, il s'agit de l'alliage de titane Ti17 et l'on a réalisé un procédé de forgeage comportant une seule étape de forgeage ébauche dans lequel, pour cette étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,3.
  • Le résultat visible sur la figure 3 montre que le très gros grain de phase bétâ s'est bien recristallisé puisqu'on aboutit à une microstructure homogène, fine, à savoir une taille de grain de l'ordre de 50 à 100 µm.
  • D'une façon générale, grâce au procédé de forgeage selon la présente invention, la pièce thermomécanique obtenue est une pièce forgée en alliage alpha/bêta forgé bêta qui présente une microstructure plus fine ou affinée par rapport à la microstructure de la billette de départ, la microstructure fine obtenue ayant une taille de grain typique de l'ordre de quelques centaines de micromètres au plus.
  • Parmi les autres variantes possibles du procédé de forgeage selon l'invention, on prévoit :
    • un procédé de forgeage comportant au moins deux étapes de forgeage ébauche en ayant fait en sorte que pour au moins deux étapes de forgeage ébauche successives, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,2 ; ou
    • un procédé de forgeage comportant au moins une première et une deuxième étapes de forgeage ébauche et dans lequel, pour l'une parmi la première et la deuxième étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,3 ; ou
    • un procédé de forgeage comportant au moins deux étapes de forgeage ébauche et dans lequel, pour chaque étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,2.
  • Dans ces deux dernier cas, on peut prévoir deux, trois, quatre ou davantage d'étapes de forgeage ébauche.

Claims (14)

  1. Procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique en alliage de titane de classe bêta ou de classe alpha/bêta si l'on considère la structure de la pièce forgée résultant de toutes les étapes de forgeage, comportant les étapes suivantes :
    - on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une température de bêta transus Tβ et obtenue par fusion de l'alliage mère puis coulée d'un lingot lui-même forgé selon un cycle thermomécanique ;
    - on réalise au moins une étape de forgeage ébauche (a, b, c, d ; a', b', c', d') de ladite billette, dans laquelle on chauffe (a ; a' ; e) ladite billette à une température T1 inférieure à la température de bêta transus Tβ avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite (c ; c') au cours de laquelle ladite billette subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une ébauche, puis on laisse refroidir l'ébauche (d ; d') ;
    - on réalise une étape de forgeage final (A, B, C, D) de ladite ébauche, dans laquelle on chauffe (A) ladite ébauche à une température T2 supérieure à la température de bêta transus Tβ avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite (C) au cours de laquelle ladite ébauche subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une pièce forgée, puis on procède au refroidissement de la pièce forgée (D),
    caractérisé en ce que ladite opération de forgeage (c ; c') de l'étape de forgeage ébauche réalise en tout point de ladite billette une déformation locale supérieure à un taux de déformation minimal d'au moins 0,2 de sorte que la pièce forgée en résultant est en alliage de titane de classe bêta ou de classe alpha/bêta et présente une microstructure homogène et fine.
  2. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est de 0,3.
  3. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est de 0,4.
  4. Procédé de forgeage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première et une deuxième étapes de forgeage ébauche et en ce que pour la première ou la deuxième étape de forgeage ébauche ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,3.
  5. Procédé de forgeage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une seule étape de forgeage ébauche dans lequel, pour cette étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,3.
  6. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étapes de forgeage ébauche et en ce que pour au moins deux étapes de forgeage ébauche successives, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,2.
  7. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étapes de forgeage ébauche et en ce que pour chaque étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,2.
  8. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane de la pièce forgée est un alliage de type alpha-bêta.
  9. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane est le « Ti 6242» ou Ti-6AI-2Sn-4Zr-2Mo.
  10. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'alliage de titane est le «Ti 17» ou Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr.
  11. Procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane, caractérisé en ce qu'il comprend un procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  12. Pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane dont le procédé de fabrication comporte le procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ou résultant du procédé de fabrication selon la revendication 11, ladite pièce thermomécanique étant une pièce forgée en alliage de titane de classe alpha/bêta forgé bêta présentant une microstructure fine et homogène avec une taille de grain de l'ordre de 50 à 100 µm.
  13. Pièce thermomécanique selon la revendication 12 caractérisée en ce qu'elle forme une pièce tournante d'une turbomachine.
  14. Turbomachine comprenant une pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 12 à 13.
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