EP2424688B1

EP2424688B1 - Procede de fabrication de produits allonges en titane

Info

Publication number: EP2424688B1
Application number: EP10718244.6A
Authority: EP
Inventors: Christophe Delaunay; Alain Honnart; Volkter GÜTHER; Rüdiger FOX
Original assignee: GfE Metalle und Materialien GmbH; PFW Aerospace GmbH; Cefival
Current assignee: GfE Metalle und Materialien GmbH; PFW Aerospace GmbH; Cefival
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: RU2011148086A; WO2010125253A1; JP2012525497A; KR20120037378A; CN102438764A; EP2424688A1; WO2010125253A8; FR2944983B1; CN102438764B; FR2944983A1; UA104024C2; RU2541251C2

Description

L'invention a trait à un procédé de fabrication de produits allongés en matière titane, ou en alliage de titane, ou d'ébauches de tels produits.
Le terme "produit allongé" désigne ici une pièce métallique qui présente des dimensions de section transversale sensiblement inférieures, voire très inférieures, à sa longueur.
Les produits allongés incluent les pièces métalliques dont la réalisation comprend usuellement au moins une opération de filage. La qualification de produit allongé n'est cependant pas réservée à de telles pièces.
Les produits allongés comprennent plus particulièrement les pièces métalliques résultant d'une opération de filage, et comprennent les pièces profilées, y compris les profilés creux et les tubes.
Le terme "d'ébauche" doit s'entendre ici de manière assez large. Il désigne un produit allongé non fini mais dont la forme générale correspond pour l'essentiel à l'allure du produit allongé fini. Ceci implique qu'une ébauche de produit allongé est une pièce métallique allongée.
Ceci n'exclut ni l'adaptation ultérieure de la forme de cette ébauche, par exemple par usinage, ni la modification de cette allure générale, par exemple par cintrage, pliage, ou toute autre déformation plastique.
On doit plutôt comprendre qu'une "ébauche" d'un produit allongé est une pièce de forme allongée qui peut subir différents traitements de mise en forme, d'usinage ou encore de surface pour donner naissance à un produit fini.
Les domaines d'utilisation des produits allongés en matière titane, ou en alliage de titane, sont nombreux. Ils comprennent en particulier la construction aéronautique et aérospatiale.
Des normes existent, qui régissent la qualité métallurgique de ces produits. La qualité exigée dépend de l'application envisagée.
Par exemple, dans le cas particulier de la construction aéronautique, une haute qualité est exigée en raison des conséquences dramatiques qu'engendrerait la défaillance d'un produit.
Le respect de qualités fixées n'est pas limité au domaine aéronautique : en pratique, la plupart des applications exigent des qualités métallurgiques minimales, que celles-ci fassent l'objet de normes ou non. Et l'obtention de produits de haute qualité n'est pas réservée aux domaines de l'aéronautique et de l'aérospatial.
Aux exigences de qualité s'ajoutent aujourd'hui des exigences de coûts et de disponibilité, presque aussi importantes. Autrement dit, il ne suffit plus de savoir fabriquer un produit répondant à des exigences de qualité, encore faut-il pouvoir le faire à un coût satisfaisant et en quantité suffisante pour satisfaire le marché.
C'est pourquoi on cherche constamment des procédés de fabrication moins coûteux qui permettent de réaliser des produits de qualité au moins égale.
Les procédés classiques débutent par la préparation d'une masse de matière titane, laquelle masse peut comprendre des éponges de titane, des copeaux de titane, des chutes de titane (que l'on désigne parfois "ferraille de titane" par abus de langage) et/ou plus généralement de matière titane recyclée.
Cette masse de matière titane est ensuite fondue et coulée en un unique lingot, qui présente un diamètre important.
Dans ces procédés classiques, différentes techniques peuvent être mises en oeuvre pour réaliser la fusion/coulée de la masse de titane.
La fusion par bombardement électronique, aussi désignée par l'expression anglaise de "Electron beam furnace", est adaptée à la fusion d'un mélange d'éponges de titane et de matière recyclée (chutes) en tant que matière première. Les matériaux recyclés étant moins coûteux que les éponges de titane, on comprend l'intérêt économique que peut revêtir un tel procédé.
La fusion par torche plasma et la fusion par bombardement électronique en creuset froid constituent des techniques plus récentes, qui offrent une coulée plus continue et la possibilité de fondre une proportion plus importante de chutes de titane. Ces techniques sont ainsi plus économiques que la fusion par bombardement électronique classique.
Avec ces procédés de fusion classiques, la coulée de la matière fondue est progressive et assez lente. Généralement, cette matière fondue coule dans une lingotière, petit à petit, par effet de trop plein du bac de fusion, au fur et à mesure que de la matière se trouve fondue. La lenteur et la progressivité de la coulée, résultant principalement des limites des techniques de fusion, conduisent à des défauts de coulée dans le lingot.
Pour répondre à de hautes exigences métallurgiques, par exemple pour des pièces de sécurité dans le domaine aéronautique, il est nécessaire de refondre le lingot obtenu après la première fusion/coulée et d'en couler un nouveau. Les fusions successives améliorent en effet la qualité métallurgique du lingot.
Cette refusion/coulée est classiquement réalisée par la technique de refusion par arc électrique sous vide, aussi appelée "VAR" (de l'anglais "vacuum arc remelting"). Le lingot obtenu après la première fusion constitue une électrode qui va progressivement être fondue, et simultanément coulée en un lingot de diamètre voisin, de manière continue. En pratique, le diamètre du nouveau lingot est supérieur de 10 à 20% environ au diamètre de l'électrode consommable, c'est-à-dire du premier lingot.
Il faut noter que certaines normes, telles que la norme des États-Unis d'Amérique AMS 4945, à usage dans le domaine de la construction aéronautique, imposent cette refusion "VAR".
Cette "double fusion" s'avère coûteuse. Aussi les fondeurs ont-ils pris l'habitude de couler des lingots de gros diamètre, pratiquement compris entre 500 et 1000 mm, en remarquant que le coût volumique diminue avec l'augmentation du diamètre du lingot coulé. Autrement dit, les lingots de gros diamètre sont de moindre coût, pour un volume de matière donné.
Pour remédier aux inconvénients des techniques de (première) fusion classiques, que sont principalement la lenteur et la progressivité de la fusion/coulée, on a plus récemment mis au point une technique de fusion par arc électrique, sous vide et en mode autocreuset, aussi désignée par l'expression anglaise de "skull melting" (littéralement "fusion en carapace" en français). Par mode autocreuset, on entend un procédé de fusion dans lequel le creuset du four est refroidi de manière qu'il se forme par dessus lui une coque de matière fondue, ici du titane, ou creuset supplémentaire, isolant le reste de la matière fondue du creuset du four.
Une partie de la masse de titane à fondre est placée dans un creuset, tandis que l'autre partie de cette masse prend la forme d'une électrode consommable. L'ensemble de la masse de titane va être fondu grâce à un arc électrique généré entre l'électrode et le creuset puis mis à la température du bain. La masse fondue est ensuite coulée dans une ou plusieurs lingotières, en une fois, par inclinaison du creuset.
Le "skull melting" permet une coulée rapide, en une seule fois, par lot (inclinaison), de l'ensemble de la masse de matière fondue. Ceci peut permettre d'éviter les défauts de coulée liés à la lenteur et la progressivité des techniques de fusion plus anciennes.
Pour des raisons économiques, on a l'habitude de couler un unique gros lingot.
Le "skull melting" permet la fusion d'éponges de titane aussi bien que de matériaux recyclés, indifféremment.
Un avantage supplémentaire réside dans le fait que la gangue métallique qui se forme au contact du creuset peut être aisément, voire directement, réutilisée en tant que nouvelle électrode.
Pour la plupart des produits allongés souhaités, la capacité des presses actuelles ne permet pas de filer directement les lingots obtenus après refusion "VAR" ou fusion "skull melting", à cause d'un diamètre trop important du lingot.
Une ou plusieurs opérations de réduction de diamètre par forgeage sont nécessaires pour transformer le lingot de grand diamètre en une ou plusieurs billettes de diamètre adapté à la presse à filer et au produit allongé souhaité.
À titre d'exemple, un lingot issu d'une refusion "VAR", ou d'un "skull melting", peut présenter un diamètre d'environ 600 millimètres et être transformé par opérations de forgeage successives en billettes d'environ 120 millimètres de diamètre, soit une réduction de diamètre par forgeage de l'ordre de 25 (2500%).
Il faut noter que le forgeage améliore nettement la qualité métallurgique des billettes, en sorte qu'il est systématiquement mis en oeuvre après fusion (VAR, skull melting ou autres)
Des opérations supplémentaires, par exemple d'usinage (pour retirer une fine couche superficielle de la billette forgée ou "écroutage"), ou de finition peuvent, le cas échéant, être également mises en oeuvre préalablement au filage.
En résumé, une gamme de fabrication habituelle de produits de haute qualité allongés en titane, ou en alliage de titane, à partir d'une masse de titane, comprend les opérations suivantes:

fusion de cette masse de titane, ou d'alliage de titane, et coulée d'un unique lingot, de grand diamètre;
refusion "VAR" de cet unique lingot en un unique lingot, également de grand diamètre ; cette étape étant pratiquement obligatoire lorsque la fusion précédente n'a pas été réalisée par "skull melting"; cette refusion pouvant être imposée par des normes aéronautiques.
préparation d'une ou plusieurs billettes à filer à partir du lingot de grand diamètre, incluant une ou plusieurs opérations de forgeage;
filage à la presse à filer de ces billettes pour obtenir des produits allongés de forme quasi définitive;

Une ou plusieurs opérations de traitement de surface et/ou modifiant l'allure générale du produit allongé peuvent ensuite être mises en oeuvre pour l'obtention du produit allongé fini.
Cette gamme de fabrication n'est que très partiellement satisfaisante, en particulier en termes de coûts, de délai de fabrication du produit allongé, ainsi que disponibilité du produit.
Les Demanderesses ont cherché à améliorer la situation.
Le procédé proposé vise un procédé de fabrication de produits allongés en matière titane ou en alliage de titane, ou d'ébauches de tels produits, comprenant la préparation d'une masse de matière titane ou d'alliage de titane, la fusion de cette masse par arc électrique et en mode autocreuset, la coulée d'un ou plusieurs lingots de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à environ 300 mm à partir de la masse fondue, puis le filage d'un ou plusieurs de ces lingots à une température comprise entre 800°C et 1200°C au moyen d'une presse à filer.
Un tel procédé permet d'obtenir des produits allongés sains, c'est-à-dire pratiquement dépourvus de tout défaut de coulée, et d'une résistance mécanique, en particulier telle que mesurée par des essais de traction, au moins égale aux produits obtenus par les procédés classiques ou actuellement connus. À titre d'exemple, ce procédé permet d'obtenir des produits allongés de qualité comparable aux produits conformes aux normes aéronautiques aujourd'hui en vigeur, au moins en ce qui concerne les propriétés de résistance mécanique, par exemple les normes des États-Unis d'Amérique AMS 4935 ou AMS 4945.
Ce procédé offre de surcroît un coût de fabrication du produit potentiellement inférieur au coût de fabrication des procédés classiques ou actuellement connus, ainsi qu'un délai de fabrication raccourci, en partie liés à l'absence de toute opération de forgeage, et plus généralement de réduction sensible du diamètre des lingots coulés préalablement à l'opération de filage ainsi qu'à la coulée simultanée de plusieurs lingots.
Le procédé proposé améliore la disponibilité des produits allongés obtenus, en particulier du fait d'une simplification de la gamme de fabrication et de la possibilité d'utiliser dans la masse de titane ou d'alliage de titane préparée une large proportion de matière recyclée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est un diagramme d'étapes illustrant le procédé selon l'invention,
la figure 2 est un diagramme d'étapes illustrant une variante du procédé de la figure 1,
la figure 3 est un diagramme d'étapes illustrant un procédé complémentaire susceptible d'être mis en oeuvre en complément des procédés des figures 1 et 2.

Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
La figure 1 illustre un procédé de fabrication de produits allongés en titane, ou en alliage de titane, ou d'ébauches de produits de ce type.
Le procédé de la figure 1 comprend une opération de préparation 10 d'une masse de matière titane ou d'alliage de titane, une opération de fusion 20 de cette masse par arc électrique et en mode autocreuset, une opération de coulée 30 d'un ou plusieurs lingots de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à environ 300 mm à partir de la masse fondue, puis une opération de filage 40 d'un ou plusieurs de ces lingots à une température comprise entre 800°C et 1200°C au moyen d'une presse à filer. En option, les produit allongés résultant de cette étape de filage peuvent subir une ou plusieurs étapes de finition ou semi-finition 50.
Le procédé de la figure 1 débute par une opération de préparation d'une masse de titane ou d'alliage de titane 10. La composition chimique de cette masse est conforme à la nuance souhaitée pour le produit allongé. Par exemple, la composition chimique de cette masse peut être destinée à obtenir un alliage TA6V4, ou équivalent, tel que mentionné dans la norme des États-unis d'Amérique AMS 4935, ou encore TA3V2.5, ou équivalent, tel que mentionné dans la norme des États-Unis d'Amérique AMS 4945.
Ces alliages sont particulièrement utilisés dans le domaine aéronautique, pour lequel des normes strictes exigent une haute qualité métallurgique des produits. Leur emploi n'est nullement limité à ce secteur d'activité. Et la mise en oeuvre du procédé de la figure 1 n'est pas non plus limitée à ces alliages particuliers, mais au contraire s'étend à de nombreuses compositions de titane différentes, selon notamment l'application envisagée, par exemple T40, T60 ou autres.
Cette masse peut comprendre des éponges de titane, des chutes de titane ou d'alliage de titane, appelées "scrap" en anglais, des copeaux de titane ou d'alliage de titane, de tout ou partie d'une coquille, ou poche ou gangue, résultant d'une fusion "skull melting", ou plus généralement de matière titane recyclée sous une forme quelconque. La composition de la matière recyclée est contrôlée en ce qui concerne sa qualité et sa composition chimique.
Les éléments recyclés peuvent provenir de mises au mille, de matières recyclées traitées destinées à l'industrie du titane pour refusion, de résidus d'usinage de pièces en titane ou alliage de titane, ou autre.
Ces matières recyclées peuvent présenter de nombreuses compositions chimiques différentes, par exemple conformes à la nuance souhaitée pour le produit allongé, mais pas nécessairement. Ces matières peuvent correspondre aux alliages mentionnés plus haut.
Les éléments recyclés présentent une disponibilité et un coût massique, c'est-à-dire un coût rapporté au kilogramme de matière, moindre que les éponges de titane, en sorte qu'il est avantageux d'en privilégier l'emploi.
La masse de titane ou d'alliage de titane de l'étape de préparation 10 peut également comprendre des éléments de mise à la nuance et/ou d'alliage dans des proportions qui dépendent de la suite du procédé, de l'application envisagée, et/ou de la nuance souhaitée pour le produit allongé.
Le procédé de la figure 1 se poursuit par une opération de fusion à l'arc électrique et en mode autocreuset 20 de la masse de matière titane ou d'alliage de titane préparée à l'opération 10.
C'est-à-dire que cette fusion se fait sous la forme d'une fusion "skull melting".
Une fusion "skull melting" est réalisée au moyen d'un four comprenant un caisson sous vide et un creuset conformé de manière appropriée, logé à l'intérieur du caisson.
On monte une électrode consommable à l'intérieur du caisson tandis que l'on charge de la matière titane dans le creuset. On génère une grande différence de potentiel entre le l'électrode et le creuset. Lorsque cette différence de potentiel atteint un certain seuil, il se crée un arc électrique de haut niveau d'énergie entre l'extrémité basse de l'électrode et la matière titane située dans le creuset.
En pratique, l'électrode peut être montée sur une pièce verticale qui se déplace de haut en bas dans le caisson.
Lorsque l'électrode est entièrement fondue, la masse de titane fondue présente dans le creuset peut être coulée, en une fois, dans une ou plusieurs lingotières de forme choisie, ici de section circulaire et de diamètre inférieur à 300 mm, placées à l'intérieur du caisson. Cette coulée est donc très rapide: elle peut par exemple être réalisée par inclinaison du creuset. Le "skull melting" est ainsi une technique de fusion/coulée par lots.
Lors de cette fusion/coulée, une partie de la masse de titane fondue se solidifie à l'interface avec le creuset et forme une gangue en titane qui protège le titane en fusion de toute pollution par d'autres éléments présents dans le creuset ou par le creuset lui-même. Autrement dit, cette gangue forme un creuset supplémentaire disposé dans le creuset matériellement prévu dans le four (fusion en autocreuset). Après refroidissement, cette gangue peut être utilisée en tant qu'électrode consommable pour une nouvelle fusion, ce qui est intéressant en termes de coûts. Le creuset du four peut être conformé de manière que la gangue présente une forme adaptée à sa fonction ultérieure d'électrode consommable.
La masse de titane préparée à l'étape 10 comprend avantageusement la gangue, ou coquille, résultant de la fonte et de la coulée par "skull melting" d'une masse de titane précédente.
De manière aussi avantageuse, la masse de titane préparée à l'opération 10 comprend une proportion importante de matière titane recyclée.
De préférence, la masse de titane de l'opération 10 comprend exclusivement une ou plusieurs coquilles skull, de la matière recyclée et les éléments d'alliage ou de mise à la nuance nécessaires, en proportion appropriée.
Autrement dit, l'opération de préparation de la masse de titane ou d'alliage de titane 10 consiste ici principalement à réaliser un mélange de matériaux en titane, ou en alliage de titane, dont la majeure partie, voire la totalité, en masse, est constituée de matériaux recyclés. Seule l'addition d'éléments de mise à la nuance peut encore être nécessaire.
Le procédé de la figure 1 présente donc un avantage tout particulier en ce qu'il permet l'obtention de produits de haute qualité pour un coût moindre que les procédés classiques, du fait de l'utilisation quasi exclusive de matières recyclées permise par l'utilisation d'une fusion par arc électrique et en mode autocreuset.
La température utilisée pour cette opération de fusion, appelée température de surfusion, peut dépendre de la composition de la masse de l'opération de préparation 10. Une température de surfusion supérieure à 1600°C permet de fondre cette masse dans la plupart des compositions possibles.
Le procédé de la figure 1 se poursuit par une opération de coulée de lingots de section généralement circulaire, dont le diamètre est inférieur à environ 300 mm. De préférence le diamètre de ces lingots est inférieur à 250 mm. Cette coulée concerne l'ensemble de la masse fondue, en une seule fois (en un "lot") et rapidement, par exemple par inclinaison du creuset contenant la masse de titane fondue
Il n'existe aucune limite inférieure au diamètre des lingots coulés à l'opération 30. Pour des raisons économiques cependant, il peut être préférable de couler des lingots de diamètre supérieur à 100 mm.
Il n'existe aucune limite théorique en ce qui concerne la longueur des lingots coulés à l'étape 30.
En pratique, on coule des lingots dont la longueur est en rapport avec la longueur des lingots à filer à l'opération 40. Par exemple, la longueur d'un lingot coulé à l'opération 30 peut être choisie de manière à être égale à un multiple de la longueur d'un lingot à filer à l'opération 40, pour éviter les pertes de matière. Plus généralement, la longueur du lingot coulé à l'opération 30 peut aussi être choisie de manière à être égale à la somme des longueurs de lingots à filer l'opération de filage 40.
De préférence, lors de l'opération de coulée 30, on coule autant de lingots cylindriques que la masse de matière titane fondue à l'opération 30 le permet. On tire alors pleinement avantage du fait que le "skull melting" autorise une coulée par lot. La masse de titane, ou d'alliage de titane, coulée à l'opération 20, et par conséquent la masse de titane, ou d'alliage de titane, préparée à l'opération 10 peuvent être choisie, en quantité, en fonction du nombre de lingots que l'on souhaite filer, et donc préalablement couler, et de leur dimension.
Le diamètre de chacun des lingots coulés à l'opération 30 est inférieur à 300 mm. Chacun de ces lingots peut alors être filé à l'opération 40, sans réduction significative de son diamètre préalablement à cette opération de filage.
Une opération d'écroutage peut néanmoins intervenir entre la coulée de l'opération 30 et le filage de l'opération 40. Bien qu'une diminution de diamètre résulte immanquablement d'une opération d'écroutage, cette réduction est si faible, (de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre) qu'on ne saurait considérer qu'elle constitue une réduction significative du diamètre du lingot. D'ailleurs, l'écroutage vise à retirer la couche superficielle des lingots coulés, et, à ce titre, ne peut être qualifié d'opération de réduction de diamètre, dont l'objet est par définition de réduire le diamètre du lingot de manière significative.
Les lingots cylindriques coulés à l'opération 30 peuvent présenter des dimensions analogues les uns par rapport aux autres, en ce qui concerne leur diamètre et leur longueur. Ces lingots peuvent également présenter des longueurs et/ou des diamètres différents, par exemple pour la réalisation de produits allongés différents. Le diamètre et la longueur de chacun des lingots coulés à l'opération 30 peut être choisie en fonction du diamètre et de la longueur du ou des lingots à filer au cours de l'opération 40. On sait déterminer la longueur et le diamètre d'un lingot à filer en fonction du produit allongé que l'on souhaite obtenir à l'issue de l'opération de filage 40. Autrement dit, le procédé de la figure 1 permet d'obtenir à l'issue de l'opération de coulée 30 un lingot dont les dimensions sont adaptées au filage, et dont ces dimensions peuvent être calculées en fonction des dimensions du produit allongé souhaité.
Sur ce point, le procédé de la figure 1 se distingue des procédés classiques, lesquels prévoient la coulée d'un unique lingot, en particulier pour réduire le coût massique du lingot coulé, et des opérations de forgeage pour réduire le diamètre de ce lingot. Autrement dit, le diamètre du lingot coulé se trouve imposé dans les procédés classiques (de l'ordre de 400 à 600 mm), tandis que ce diamètre peut ici être choisi.
On notera que, pour des dimensions d'un produit allongé imposées, il existe en pratique une plage de diamètres et de longueurs possibles pour le lingot à filer 40. Lorsque des produits allongés de dimensions différentes doivent être réalisés selon le procédé de la figure 1, il peut être avantageux, lorsque cela est possible, de choisir une valeur de diamètre de leur lingot à filer respectif qui soit adaptée à l'ensemble de ces produits : on peut ainsi couler un lingot qui peut être tronçonné pour réaliser des lingots adaptés au filage de différents produits allongés. On optimise ainsi la gestion des stocks de lingots à filer.
On remarquera également que le procédé de la figure 1 permet de réaliser aussi simplement et pour des coûts semblables (hors coûts de matière première) des produits de plus grand diamètre et des produits de diamètre plus petit. Dans les procédés classiques, qui nécessitent des opérations de forgeage pour réduction de diamètre, il est au contraire plus délicat et plus coûteux de réaliser des produits de petit diamètre, lesquels produits impliquent un taux de réduction supérieur, qui doit le plus souvent être réalisé par forgeage.
Les presses actuellement en service ne permettent pas le filage de lingots de longueur supérieure à 1500 millimètres. Autrement dit, les lingots coulés à l'étape 30 présentent une longueur inférieure à 1500 millimètres, mais pourraient être plus longs dans le cas où des presses plus performantes venaient à voir le jour.
Le procédé de la figure 1 s'achève par une opération de filage à chaud 40 de ces lingots cylindriques sur une presse à filer pour obtenir un produit allongé ou une ébauche d'un tel produit. L'opération de filage 40 peut être adaptée pour obtenir un produit plein ou un produit creux.
La température de filage est supérieure à la température dite de "transus β", laquelle dépend de la composition du lingot.
L'opération de filage 40 est réalisée à chaud, à une température généralement comprise entre 800°C et 1200°C. De préférence, le filage est réalisé à une température supérieure à 900°C pour garantir une bonne plasticité de la matière et inférieure à 1150°C pour éviter des dépenses énergétiques inutiles tout en obtenant une structure métallographique adaptée.
Le filage est réalisé au moyen d'une presse de filage classique, munie d'une filière et d'un poinçon. Lorsqu'un produit allongé creux doit être réalisé, on utilise en plus une tige, aussi appelée "aiguille" (et dans ce cas, le lingot à filer peut avoir été préalablement percé).
Ce filage est réalisé à chaud, en présence d'un agent de lubrification. Cet agent de lubrification comprend généralement du verre, c'est-à-dire l'agent lubrifiant usuel pour les opérations classiques de filage à chaud à une température supérieure à 900°C.
Le procédé de la figure 1 ne nécessite aucune opération de réduction du diamètre du lingot coulé à l'opération 30 préalablement à l'opération de filage 40.
Il faut comprendre que cela n'exclut pas pour autant qu'une ou plusieurs opérations particulières, telles qu'un écroutage, différents traitements de surface ou un tronçonnage, soient réalisées sur un lingot coulé à l'étape 30 pour former le lingot à filer à l'étape 40.
La qualité métallurgique du produit allongé résultant de l'opération de filage 40 est de manière surprenante comparable à la qualité métallurgique des produits réalisés conformément aux procédés classiques, au moins en ce qui concerne la résistance mécanique, en particulier telle qu'elle est mesurée par essai de traction à froid.
Cette qualité comparable, obtenue en l'absence de toute opération de forgeage préalablement à l'opération de filage 40, est en grande partie liée au fait que le filage a une action bénéfique et suffisante sur la structure métallographique des lingots de petit diamètre qui ont été coulés.
L'absence de toute opération de réduction de diamètre du lingot résultant de l'opération de coulée 30, en particulier de forgeage, préalablement à l'opération de filage 40 engendre également une réduction du coût de fabrication d'un produit allongé. Cette absence réduit également de manière conséquente les délais de fabrication d'un tel produit.
L'absence d'opération de forgeage, ou de tout autre opération de mise en forme, du lingot préalablement à l'opération de filage et la qualité du produit allongé résultant de ce filage sont telles que, malgré le diamètre assez petit des lingots coulés lors de l'opération 30, le procédé de la figure 1 est plus économique que les procédés de l'état de la technique, en ce qui concerne le coût final du produit allongé. Les délais de fabrication et la disponibilité sont également améliorés par rapport à l'état de la technique.
L'ensemble des lingots coulés à l'opération 30, ou plusieurs d'entre eux seulement, peuvent être filés parallèlement sur plusieurs presses différentes, éventuellement après tronçonnage, ce qui augmente notablement la productivité du procédé. Le coût du produit allongé obtenu est réduit d'autant.
Contrairement aux procédés classiques, le lingot coulé à l'opération 30 n'est pas refondu dans le procédé de la figure 1. Pour autant, la qualité du produit allongé obtenu à l'issue de l'opération de filage 40 est, de manière surprenante, tout à fait suffisante, en ce qui concerne l'absence de défauts de coulée et de résistance mécanique, par rapport aux produits obtenus après une refusion "VAR", et sans aucune opération de forgeage, lequel forgeage est connu pour améliorer cette qualité.
Bien que certaines normes imposent une refusion sous vide, telle qu'une refusion "VAR", pour des produits allongés de haute qualité (ou haute performance), la Demanderesse estime que les produits obtenus par le procédé de la figure 1 conviennent aussi bien aux applications envisagées dans ces normes, malgré l'absence d'une telle refusion.
La figure 2 illustre une variante de mise en oeuvre du procédé de la figure 1.
L'opération de filage des lingots 30 comprend ici une opération de coulée de premiers lingots d'un diamètre inférieur à 300 millimètres 300, puis une opération de "refusion VAR" 302 de ces premiers lingots. Autrement dit, chacun des premiers lingots obtenus après fusion/coulée "skull melting", ou du moins certains d'entre eux, font l'objet, individiuellement, d'une fusion "VAR". Ces premiers lingots servent d'électrodes consommables pour cette fusion.
L'opération de coulée des lingots 30 comprend enfin une opération de coulée de lingots à filer à partir de cette seconde masse de matière fondue, c'est-à-dire de lingots de forme cylindrique et de diamètre inférieur à 300 mm.
Dans une refusion "VAR", la coulée se fait de manière progressive, au fur et à mesure que l'électrode consommable fond. Le diamètre du lingot obtenu, ou second lingot, est généralement plus important, de l'ordre de 10 à 20 % que le diamètre de l'électrode. Par conséquent, le diamètre des lingots coulés à l'opération 300 doit tenir compte de cette augmentation, en particulier pour que les lingots à filer à l'opération 40 présentent bien un diamètre inférieur à 300 mm sans nécessiter aucune opération de réduction de diamètre.
La figure 3 illustre un procédé de finition 50, ou de semi-finition, qui peut être mis en oeuvre sur des produits allongés réalisés conformément à l'un des procédés des figures 1 et 2.
Un produit allongé résultant de l'opération de filage 40 peut subir une ou plusieurs des opérations suivantes:

un ou plusieurs traitements thermiques (au four) et un ou plusieurs traitements de surface chimiques (décapage par exemple) ou physiques 51;
une opération de dressage et de devrillage 52 destinée à redresser le produit allongé, en ce qui concerne sa section transversale et son allure générale;
une opération de traitement thermique 53;
une opération de mise à longueur 54 par coupe ou tronçonnage,
une opération de grenaillage au sable 55, aussi appelée sablage ;
une opération de mise en forme 56,
une opération de contrôle 57 par l'une ou plusieurs des techniques de contrôle non destructif connues, telles que ultrasons, radiographie, courants de Foucault, ou autre,
un usinage.

Ces opérations sont ici présentées dans un ordre uniquement indicatif et pourraient très bien être mises en oeuvre selon un ordre différent.
Le procédé proposé permet l'obtention de produits allongés de qualité satisfaisante, en rapport avec les normes en vigueur, sans aucune opération de forgeage, rendant optionnelle l'opération classique de refusion "VAR" et permettant une utilisation importante de matière recyclée.
Le procédé proposé est dépourvu de toute opération de forgeage. Les Demanderesses se sont en effet rendu compte, contre toute attente et contrairement aux idées largement répandues dans la technique, que des propriétés mécaniques des produits allongés comparables, ou à tout le moins suffisantes, peuvent être obtenues par le filage seul, rendant superflue l'action bénéfique d'une opération de forgeage.
Le procédé proposé présente un coût de fabrication plus faible, un raccourcissement des délais de fabrication et une plus grande disponibilité des produits.
L'invention n'est pas limitée aux procédés décrits ci-dessus, à titre d'exemple uniquement. En particulier :

L'opération de fusion 20 et de coulée 30 a été décrite comme mettant en oeuvre une fusion "skull melting". Cette technique de fusion permet une fusion/coulée par lots, par opposition aux procédés à fusion/coulée progressives. Aujourd'hui, seule cette technique permet un tel mode de coulée. Pour autant, les procédés des figures 1 et 2 pourraient être mis en oeuvre avec une technique de fusion différente pourvu que celle-ci présente des caractéristiques analogues au "skull melting", c'est-à-dire permettent de produire des lingots aptes au filage, de diamètre inférieur à 300 mm pour un coût raisonnable, de préférence avec utilisation d'une grande quantité de matière recyclée et avec une coulée par lot.
La refusion des étapes 302 et 304 pourrait être mise en oeuvre avec des procédés de fusion différents pourvus qu'ils améliorent la qualité métallographique des lingots obtenus et permettent, pour un coût acceptable, d'obtenir des lingots de taille adaptée à l'opération de filage 40, c'est-à-dire de diamètre inférieur à 300 mm.
À l'issue de l'opération de filage 40 ou, le cas échéant, de l'opération de finition 50, le produit allongé obtenu peut subir une ou plusieurs opération de formage, en particulier de forgeage, y compris destinées à réduire encore sa section.

On pourrait envisager plus généralement de filer des lingots de diamètre inférieur à 300 mm, directement après qu'ils ont subi une refusion "VAR" et sans réduction de diamètre par forgeage préalable, la première fusion/coulée ayant été réalisée selon un procédé quelconque, pourvu que le procédé en question permette la coulée de lingots de diamètre adapté, pour un coût raisonnable.
Les produits allongés obtenus peuvent faire l'objet de mises en formes ultérieures, par exemple par cintrage.
L'invention a été décrite en faisant référence au domaine aéronautique, en particulier en ce qui concerne les normes en vigueur dans ce domaine. Cela tient au fait que ce secteur représente un large secteur d'application des produits allongés en titane et qu'il exige une haute qualité de ces produits. Cela ne limite en rien l'application du procédé décrit à ce secteur d'activité particulier. D'ailleurs, d'autres secteurs employant des produits en titane, ou alliage de titane, et exigeant des produits de haute qualité peuvent faire référence aux normes établies par le secteur aéronautique, sans pour autant faire partie de ce secteur. L'invention s'applique donc également à ces secteurs. Plus généralement, l'invention a vocation à s'appliquer dans tous les domaines exigeant des produits allongés en titane pour des applications non aéronautiques et de haute qualité, en complément du secteur aéronautique. Sur ce point, le procédé selon l'invention offre une telle souplesse et une telle réduction de coûts qu'il peut offrir de nouvelles applications des produits allongés en titane dans les domaines non aéronautiques et/ou grand publics.
À strictement parler, les produits allongés réalisés selon le procédé de la figure 1 ne sont pas conformes à la norme des États-Unis d'Amérique AMS 4935, à usage dans la construction aéronautique, en ce qu'ils n'ont pas subi plusieurs fusions, dont une sous vide. Ils constituent néanmoins des produits de qualité comparable, en particulier en termes de résistance mécanique. La Demanderesse estime que ces produits pourraient être utilisés en remplacement des produits définis dans cette norme ou que cette norme devrait évoluer de manière à inclure les produits obtenus par le procédé de la figure 1. Quoi qu'il en soit, la qualité de ces produits est telle que de nombreux secteurs qui font référence à ladite norme sans pour autant y être contraints peuvent avantageusement les utiliser.

L'invention englobe toute les variantes que pourra envisager l'homme de l'art, à la lumière de la présente description.

Claims

Procédé de fabrication de produits allongés en matière titane ou en alliage de titane, ou d'ébauches de tels produits, comprenant les étapes suivantes:
a) préparer une masse de matière titane ou d'alliage de titane (10),

b) faire fondre cette masse par arc électrique et en mode autocreuset (20),

c) couler un ou plusieurs lingots de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à environ 300 mm à partir de la masse fondue (30), puis

d) filer un ou plusieurs de ces lingots à une température comprise entre 800°C et 1200°C au moyen d'une presse à filer (40).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape c) comprend:
c1) couler un ou plusieurs premiers lingots à partir de la masse fondue (300),

c2) faire fondre chacun de ces premiers lingots en une seconde masse de matière titane ou d'alliage de titane respective (302),

c3) couler un ou plusieurs lingots à filer de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à environ 300 mm à partir de chacune des secondes masses de matière titane ou d'alliage de titane respectives (304).
Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape c1) comprend:
c11) couler un ou plusieurs lingots de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à environ 300 mm à partir de la masse fondue (300).
Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel l'étape c3) comprend:
c31) couler un lingot à filer de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à environ 300 mm à partir de chacune des secondes masses de matière titane ou d'alliage de titane.
Procédé selon l'une des revendication 2 à 4, dans lequel l'étape c2) comprend:
c21) faire fondre au moins un premier lingot par arc électrique sous vide.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre du lingot à filer est inférieur à 250 mm.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre du lingot à filer est supérieur à 100 mm.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape d) est réalisée en présence d'un agent lubrifiant.
Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'agent lubrifiant comprend du verre.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la température de filage est comprise entre 900°C et 1150 °C.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) comprend:
cI) couler pratiquement l'ensemble de la masse fondue à l'étape b) en lingots à filer de forme sensiblement cylindrique et de diamètre inférieur à 300 mm.
Procédé selon l'une des revendications précédentes dépourvu de toute étape de réduction de diamètre des lingots coulés à l'étape c) préalable à l'étape d).
Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant une étape d'écroutage entre les étapes c) et d).
Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le diamètre des lingots coulés à l'étape c) est choisi en fonction du diamètre souhaité du produit allongé en matière titane ou en alliage de titane ou de l'ébauche de ce produit.