EP2386663B1 - Procédé de fabrication d'un composant et composants constitués d'un alliage à base d'aluminium-titane - Google Patents

Procédé de fabrication d'un composant et composants constitués d'un alliage à base d'aluminium-titane Download PDF

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EP2386663B1
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Voestalpine Boehler Aerospace GmbH and Co KG
MTU Aero Engines AG
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Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d'un composant à partir d'un alliage à base de titane-aluminium, dans lequel, dans une première étape, on fabrique un produit primaire, obtenu par la métallurgie des poudres ou la métallurgie de fusion, ayant une composition chimique, en % en atomes : aluminium (Al) 41 à 48 au choix niobium (Nb) 4 à 9 molybdène (Mo) 0,1 à 3,0 manganèse (Mn) jusqu'à 2,4 bore (B) jusqu'à 1,0 silicium (Si) jusqu'à 1,0 carbone (C) jusqu'à 1,0 oxygène (0) jusqu'à 0,5 azote (N) jusqu'à 0,5
    le reste étant constitué de titane et d'impuretés,
    on presse par pressage isostatique, pour obtenir une ébauche, ce produit primaire en présence d'une élévation de la pression à au moins 150 MPa à une température d'au moins 1000°C, par réchauffage à coeur pendant un laps de temps d'au moins 60 min, ce après quoi, dans une deuxième étape, on soumet l'ébauche HIP à un façonnage à chaud, par un formage rapide de pièces massives à une vitesse supérieure à 0,4 mm/s, et à un formage par refoulement, mesuré par une dilatation locale ϕ supérieure à 0,3, ϕ étant défini comme suit : ϕ = ln h f / h o
    Figure imgb0007
    hf = hauteur de la pièce en oeuvre après le refoulement
    ho = hauteur de la pièce en oeuvre avant le refoulement
    ou à un autre procédé de formage avec une déformation minimale aussi élevée, en particulier par forgeage à une température comprise dans la plage de 1000 à 1350°C, par transformation d'un composant, avec un refroidissement ultérieur de celui-ci, le laps de temps allant jusqu'à ce qu'on atteigne une température de 700°C étant d'au moins 10 min, avec formation d'une structure qui ne peut subir que dans de petites zones partielles une restauration dynamique ou une recristallisation, mais pour l'essentiel d'une structure de déformation ayant un grand potentiel d'énergie de recristallisation, ce après quoi le composant est, dans une troisième étape, pour ajuster les propriétés souhaitées du matériau, soumis à un traitement thermique, dans lequel, dans la zone de la température eutectoïde (Teu) de l'alliage, en particulier de 1010 à 1180°C, sur un laps de temps de 30 à 1000 min, on forme à partir de la structure de déformation, sur la base de l'énergie de déformation accumulée et de la force motrice de la restructuration, qui est constituée du déséquilibre chimique des phases après la déformation et le refroidissement, et après un refroidissement à l'air, une microstructure homogène globulaire fine, formée à partir des phases présentant à la température ambiante une structure atomique ordonnés :
    GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ, β 0 , α 2)
    avec la transformation :
    ALPHA2 : globulaire ayant une grosseur de grain de 1 à 50 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %, qui peuvent contenir des lamelles γ individualisées, plus grossières, ayant une épaisseur > 100 nm,
    BETA0 : globulaire, entourant la phase α 2, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %,
    GAMMA : globulaire, entourant la phase α 2, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm et une proportion volumique' de 1 à 50 %,
    et, dans une étape ultérieure, on procède au choix au moins à un traitement thermique supplémentaire, en particulier à un recuit subséquent et/ou à un recuit de stabilisation du composant.
  2. Procédé de fabrication d'un composant à partir d'un alliage à base de titane-aluminium, dans lequel, dans une première étape, on fabrique un produit primaire, obtenu par la métallurgie des poudres ou la métallurgie de fusion, ayant une composition chimique, en % en atomes : Al 42 à 44,5 au choix Nb 3,5 à 4,5 Mo 0,5 à 1,5 Mn jusqu'à 2,2 B 0,05 à 0,2 Si 0,001 à 0,01 C 0,001 à 1,0 O 0,001 à 0,1 N 0,0001 à 0,02
    le reste étant constitué de titane et d'impuretés,
    on presse par pressage isostatique, pour obtenir une ébauche, ce produit primaire en présence d'une élévation de la pression à au moins 150 MPa à une température d'au moins 1000°C, par réchauffage à coeur pendant un laps de temps d'au moins 60 min, ce après quoi, dans une deuxième étape, on soumet l'ébauche HIP à un façonnage à chaud, par un formage rapide de pièces massives à une vitesse supérieure à 0,4 mm/s, et à un formage par refoulement, mesuré par une dilatation locale ϕ supérieure à 0,3, ϕ étant défini comme suit : ϕ = ln h f / h o
    Figure imgb0008
    hf = hauteur de la pièce en oeuvre après le refoulement
    ho = hauteur de la pièce en oeuvre avant le refoulement
    ou à un autre procédé de formage avec une déformation minimale aussi élevée, en particulier par forgeage à une température comprise dans la plage de 1000 à 1350°C, par transformation d'un composant, avec un refroidissement ultérieur de celui-ci, le laps de temps allant jusqu'à ce qu'on atteigne une température de 700°C étant d'au moins 10 min, avec formation d'une structure qui ne peut subir que dans de petites zones partielles une restauration dynamique ou une recristallisation, mais pour l'essentiel d'une structure de déformation ayant un grand potentiel d'énergie de recristallisation, ce après quoi le composant est, dans une troisième étape, pour ajuster les propriétés souhaitées du matériau, soumis à un traitement thermique, qui est mis en oeuvre sur un laps de temps de 30 à 600 min dans la plage de la température eutectoïde (Teu) de l'alliage, en particulier de 1040 à 1170°C, ce à l'occasion de quoi il se forme, à partir de la structure de déformation, après un refroidissement à l'air, une microstructure homogène globulaire fine, constituée des phases présentant à la température ambiante une structure atomique ordonnés :
    GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ, β 2 , α 2)
    avec la transformation :
    ALPHA2 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 10 µm, ayant une proportion volumique de 10 à 35 %, qui peuvent contenir des lamelles γ individualisées plus grossières, ayant une épaisseur > 100 nm,
    BETA0 : globulaire, entourant la phase α 2, ayant une grosseur de grain de 1 à 10 µm, ayant une proportion volumique de 15 à 45 %,
    GAMMA : globulaire, entourant la phase α 2, ayant une grosseur de grain de 1 à 10 µm, ayant une proportion volumique de 15 à 60 %,
    et au choix, dans une étape ultérieure, on procède au moins à un traitement thermique supplémentaire, en particulier à un recuit subséquent et/ou à un recuit de stabilisation.
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le composant ayant une structure fine obtenue dans la troisième étape est, pour ajuster des propriétés optimisées du matériau à haute température, soumis à au moins un recuit subséquent, qui a lieu dans la plage proche de la température de transus alpha (Tα) de l'alliage dans l'espace triphasique (alpha, bêta, gamma) pendant un laps de temps d'au moins 30 à un maximum de 6000 min, ce après quoi la pièce est, sur un laps de temps inférieur à 10 min, refroidie à une température de 700°C, puis de nouveau refroidie de préférence à l'air, de façon à obtenir la transformation des phases :
    ALPHA2 : globulaire saturé, lamelles γ éventuellement légèrement fines, ayant une grosseur de grain de 5 à 100 µm, ayant une proportion volumique de 25 à 98 %,
    BETA0 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %,
    GAMMA : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %.
  4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le composant ayant une structure fine obtenue dans la troisième étape est, pour ajuster des propriétés optimisées du matériau à haute température, soumis à au moins un recuit subséquent, qui a lieu dans la plage proche de la température de transus alpha (Tα) de l'alliage dans l'espace triphasique (alpha, bêta, gamma) pendant un laps de temps d'au moins 30 à un maximum de 6000 min, ce après quoi la pièce est, sur un laps de temps inférieur à 10 min, refroidie à une température de 700°C, puis de nouveau refroidie de préférence à l'air, de façon à obtenir la transformation des phases :
    ALPHA2 : globulaire insaturé, contenant éventuellement des lamelles γ faiblement fines, ayant une grosseur de grain de 5 à 80 µm, ayant une proportion volumique de 50 à 98 %,
    BETA0 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 20 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %,
    GAMMA : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 20 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 28 %.
  5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la pièce est, après un recuit subséquent selon la revendication 3, soumis à au moins un recuit de stabilisation, qui est mis en oeuvre dans une plage de températures de 700 à 1000°C, en tout cas au-delà de la température d'utilisation de la pièce, pendant une durée de 60 à 1000 min, et à un refroidissement lent ou au four effectué ensuite, à une vitesse inférieure à 5°C/min, de préférence inférieure à 1°C/min, pour ajuster ou transformer les constituants de la structure :
    ALPHA2/GAMMA : grain lamellaire, ayant une grosseur de grain de 5 à 100 µm, ayant une proportion volumique de 25 à 98 %, ayant une structure fine lamellaire (α 2/γ), de préférence une distance moyenne entre lamelles de 10 nm à 1 µm,
    BETA0 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %,
    GAMMA : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %.
  6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la pièce est, après un recuit subséquent selon la revendication 4, soumis à au moins un recuit de stabilisation, qui est mis en oeuvre dans une plage de températures de 700 à 1000°C, en tout cas au-delà de la température d'utilisation de la pièce, pendant une durée de 60 à 1000 min, et à un refroidissement lent ou au four effectué ensuite, à une vitesse inférieure à 5°C/min, de préférence inférieure à 1°C/min, pour ajuster ou former les constituants de la structure :
    ALPHA2/GAMMA : grain lamellaire, ayant une grosseur de grain de 5 à 80 µm, ayant une structure fine de lamelles (α 2/γ), de préférence ayant une distance moyenne entre lamelles de 10 à 30 nm, et ayant une proportion volumique de 45 à 90 %,
    BETA0 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 20 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %,
    GAMMA : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 20 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %.
  7. Composant en un alliage à base de titane-aluminium, ayant une composition chimique selon la revendication 1 ou 2, fabriqué avec des dimensions proches de dimensions finales, pouvant être obtenu par un procédé selon la revendication 1 ou 2, ayant une structure du matériau consistant en les phases présentant à la température ambiante une structure atomique ordonnée :

    GAMMA, BETA0, ALPHA2 (γ, β 0, α 2)
    avec la transformation :
    ALPHA2 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 50 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %, qui peuvent contenir des lamelles γ individualisées plus grossières, ayant une épaisseur > 100 nm,
    BETA0 : globulaire, entourant la phase α 2, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %,
    GAMMA : globulaire, entourant la phase α 2, ayant une grosseur de grain de 1 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 60 %,
    pouvant être obtenu par un procédé selon la revendication 1 ou 2, le matériau présentant les propriétés mécaniques suivantes, dans les plages :
    • résistance mécanique et allongement à la rupture à la température ambiante :
    ∘ Rp0,2 : 650 à 910 MPa
    ∘ Rm : 680 à 1010 MPa
    ∘ At : 0,5 à 3 %
    • résistance mécanique et allongement à la rupture à 700°C
    ∘ Rp0,2 : 520 à 690 MPa
    ∘ Rm : 620 à 970 MPa
    ∘ At : 1 à 3,5 %.
  8. Composant en un alliage à base de titane-aluminium, ayant une composition chimique selon la revendication 1 ou 2, fabriqué avec des dimensions proches des dimensions finales, ayant une structure du matériau constituée de :
    ALPHA2 : globulaire saturé, contenant éventuellement des lamelles γ faiblement fines, ayant une grosseur de grain de 5 à 80 µm, ayant une proportion volumique de 50 à 95 %,
    BETA0 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 20 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %,
    GAMMA : globulaire, ayant une grosseur de grain de 1 à 20 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 28 %,
    ajustée par un procédé selon la revendication 3 ou 4, le matériau présentant les propriétés mécaniques suivantes, dans la plage :
    • résistance mécanique et allongement à la rupture (selon ASTM E8M, EN 2002-1) à la température ambiante :
    ∘ Rp0,2 : 650 à 940 MPa
    ∘ Rm : 730 à 1050 MPa
    ∘ At : 0,2 à 2 %
    • résistance mécanique et allongement à la rupture à 700°C
    ∘ Rp0,2 : 430 à 620 MPa
    ∘ Rm : 590 à 940 MPa
    ∘ At : 1 à 2, 5 %.
  9. Composant en un alliage à base de titane-aluminium, ayant une composition chimique selon la revendication 1 ou 2, fabriqué avec des dimensions proches des dimensions, ayant une structure du matériau consistant en les constituants présentant la transformation :
    ALPHA2/GAMMA : grain lamellaire ayant une grosseur de grain de 5 à 100 µm, ayant une proportion volumique de 25 à 98 %, ayant une structure fine de lamelle (α 2/γ), de préférence ayant une distance moyenne entre lamelles de 10 à 1 nm,
    BETA0 : globulaire, ayant une grosseur de grain de 0,5 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 25 %,
    GAMMA : globulaire, ayant une grosseur de grain de 0,5 à 25 µm, ayant une proportion volumique de 1 à 50 %,
    ajustée par un procédé selon la revendication 5 ou 6, le matériau présentant les propriétés mécaniques suivantes, dans la plage :
    • résistance mécanique et allongement à la rupture (selon ASTM E8M, EN 2002-1) à la température ambiante :
    ∘ Rp0,2 : 710 à 1020 MPa
    ∘ Rm : 800 à 1250 MPa
    ∘ At : 0,8 à 4 %
    • résistance mécanique et allongement à la rupture à 700°C :
    ∘ Rp0,2 : 540 à 760 MPa
    ∘ Rm : 630 à 1140 MPa
    ∘ At : 1 à 4, 5 %.
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