FR2598440A1 - Utilisation d'un alliage de titane pour elements de machine - Google Patents

Utilisation d'un alliage de titane pour elements de machine Download PDF

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Klaus Rudinger
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Abstract

UTILISATION D'UN ALLIAGE TECHNIQUE DE TITANE POUR ELEMENTS DE MACHINE. ON UTILISE UN ALLIAGE TECHNIQUE DE TITANE, FORGE, COULE OU FRITTE, AYANT UNE RESISTANCE MECANIQUE MINIMALE DE 640 NMM, ET CONSTITUE DE 3 A 28 D'UN OU PLUSIEURS DES ELEMENTS ALUMINIUM, CHROME, FER, HAFNIUM, COBALT, CUIVRE, MANGANESE, MOLYBDENE, NICKEL, NIOBIUM, PALLADIUM, ARGENT, SILICIUM, TANTALE, VANADIUM, TUNGSTENE, ETAIN, ZIRCONIUM, BERYLLIUM, BORE, CARBONE, OXYGENE, TERRES RARES ET YTTRIUM, LE RESTE ETANT DU TITANE ET LES IMPURETES HABITUELLES DUES AU PROCEDE DE FABRICATION, POUR FABRIQUER DES ELEMENTS DE MACHINE DONT LES COUCHES SUPERFICIELLES, POUR AMELIORER LA RESISTANCE A L'USURE (EN PARTICULIER DUE A L'EROSION ET A LA CAVITATION), ETOU POUR AUGMENTER LA PRESSION SUPERFICIELLE MAXIMALE ADMISSIBLE, SUBISSENT UN TRAITEMENT DANS LE PLASMA DE DECHARGES LUMINESCENTES A DES TEMPERATURES SUPERIEURES A 700C, LE GAZ DE TRAITEMENT CONTENANT DE FAIBLES QUANTITES (PRESSIONS PARTIELLES DE 0,1 A 50 MBAR) D'AZOTE. L'INVENTION TROUVE SON APPLICATION PRINCIPALE DANS LES MOTEURS ET LES MACHINES EN CONSTRUCTION MECANIQUE.

Description

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UTILISATION D'UN ALLIAGE DE TITANE POUR ELEMENTS DE
MACHINE.
L'invention concerne l'utilisation d'un alliage technique de titane, forgé, coulé ou fritté, en particulier du type-a + B ou du type e, pour des éléments de machine dont les couches superficielles, pour améliorer les propriétés d'usure, due en particulier à l'érosion et à la cavitation, et/ou pour augmenter la pression superficielle maximale admissible, subissent un traitement à une température supérieure à 10 700 C dans un plasma de décharges luminescentes.Les éléments nécessaires à la formation des couches superficielles sont fournis par un gaz de traitement, qui contient de faibles quantités (pressions partielles de 0,1 à 50 mbar) d'azote, et
éventuellement de carbone et/ou d'oxygène.
A l'heure actuelle, les éléments de machine sont réalisés le plus souvent en des aciers présentant différents groupes de compositions. Les alliages de titane présentent un rapport élevé résistance mécanique/densité, ce qui les rend particulièrement utiles pour certains composants de haute valeur dans des moteurs et turbines fixes ou des moteurs et mécanismes de transmission de véhicules à moteur et d'avions;
de plus, leur utilisation est souhaitable dans les pièces à déplacement alternatif, en construction mécanique générale.
Mais, même en laissant d'abord de côté les problèmes de rentabilité du matériau, sa faible résistance à l'usure ne lui
a pas encore permis d'être très largement utilisé.
De nombreuses propositions ont été faites pour éviter, grâce à des revêtements anti-usure, la tendance au collage par soudage que présentent les pièces en titane et alliages de titane en mouvement les unes par rapport aux autres. Cependant,
tous les procédés actuels présentent certains inconvénients.
C'est ainsi que l'adhérence des revêtements obtenus par électrodéposition est faible. De plus, les couches d'usure appliquées par pulvérisation ne peuvent être utilisées que dans certaines applications limitées, car la transition entre l'interface entre phases et le matériau porteur n'est pas homogène. Ce qui précède s'applique aussi aux couches de
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nitrure de titane, ayant une épaisseur de l'ordre du micromètre, appliquées par déposition en phase gazeuse par procédé
physique (PVD " ou chimique (CVD).
La p&4teatiAkp--f-' - d'éléments de faible numéro atomique dans la surface d'éléments de machine en titane et alliages de titane (dans un bain de sel ou en phase gazeuse) permet de produire des zones de solution solide présentant une variation continue de la concentration des atomes 3 étrangers. Ces zones de diffusion, et les profondeurs de 10 trempe qui s'y rattachent, ne peuvent toutefois, dans les applications industrielles, et pour différentes raisons, être utilisées que sur des couches de faible épaisseur par exemple
de 0,03 à 0,06 mm.
Ce qui précède s'applique tant à la nitruration gazeuse 15 dans l'azote ou l'ammoniac, qu'à la carburation dans du charbon de bois pur. Même le procédé Tiduran, qui est actuellement le meilleur procédé pratique utilisé industriellement, ne donne que les profondeurs de trempe présentées sur la
Figure 1.
L'invention a pour but de créer un alliage de titane pour éléments de machine, qui possède une zone de diffusion ayant une profondeur de trempe plus élevée que ce qu'on pouvait
obtenir à ce jour.
Ce but est atteint, selon l'invention, grâce à l'utilisa25 tion d'un alliage technique de titane, forgé, coulé ou fritté, ayant une résistance mécanique minimale de 640 N/mm2, qui contient de 3 à 28 % d'un ou plusieurs des éléments aluminium, chrome, fer, lafnium, cobalt, cuivre, manganèse, molybdène, nickel, niobium, palladium, argent, silicium, 30 tantale, vanadium, tungstène, étain, zirconium, beryllium, bore, carbone, oxygène, terres rares et yttrium, le reste étant du titane avec les impuretés dues au procédé de fabrication, caractérisée en ce qu'elle s'applique à la fabrication d'éléments de machine dont les couches superficielles, pour 35 améliorer la résistance à l'usure (en particulier due à l'érosion et à la cavitation), et/ou pour augmenter la pression superficielle maximale admissible, subissent un traitement
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dans le plasma de décharges lumineuses à des températures supérieures à 700 C, le gaz de traitement contenant de faibles quantités (pressions partielles de 0,1 à 50 mbar) d'azote.
Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation d'un 5 alliage de titane tel que ci-dessus, dans lequel le traitement superficiel utilise un gaz qui, outre l'azote, contient éventuellement encore de faibles quantités de carbone et/ou d'oxygène. Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation d'un 10 alliage de titane tel que ci-dessus, la profondeur de trempe étant d'au moins 0,02 mm, et de préférence de 0,25 mm au bout
d'au moins une heure de traitement.
Un autre objet de la présente invention concerne l'utilisation d'un alliage de titane tel que ci-dessus, dans lequel un 15 recuit de mise en solution permet de diminuer la part de la
phase a, en particulier dans les alliages (a + f}.
Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation d'un alliage de titane tel que ci-dessus, dans lequel le traitement, dans le plasma d'une décharge luminescente, est effectué à une 20 température qui, pour élever la vitesse de diffusion, ne se trouve pas à plus de 200 C en-dessous de la température de
transition bêta de l'alliage considéré.
Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation d'un alliage de titane tel que ci-dessus, dans lequel les tensions internes résultant des traitements préalables, ou les modifications de structure liées aux variations de volume, subissent une forte neutralisation à la-température de traitement grâce à un recuit de détente des pièces ayant subi un prétraitement, la
température du traitement de détente pouvant dépasser de 50 C 30 la température du traitement ultérieur.
Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation d'un alliage de titane tel que ci-dessus, dans lequel les éléments de machine,avant traitement par la plasma, sont pratiquement finies, le post-traitement, pour corriger une faible augmenta35 tion de volume ou de rugosité, n'étant effectué que par un enlèvement de matière, faible ou nul, inférieur à 0,020 mm,
par polissage, pierrage ou rodage.
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Enfin, un dernier objet de l'invention concerne l'utilisation de différents alliages de titane, en particulier l'alliage Ti-6A1-4V, comprenant 4,5 à 6,75 % d'aluminium et 3,5 à 4,5 % de vanadium, le reste étant du titane et les 5 impuretés habituelles; l'alliage Ti-6A1-2Sn-4Zr2Mo-Si, comprenant 5,5 à 6,5 % d'aluminium, 3,6 à 4,4 % de zirconium, 1,8 à 2,2 % de molybdène, 1,8 à 2,2 % d'étain, au maximum 0,1 %d silicium, le reste étant du titane et les impuretés habituelles; l'alliage Ti-8Al-lMo1V, comprenant 7,35 à 8,35 % d'aluminium, 0,75 à 1,25 % de molybdène, 0, 75 à 1,25 % de vanadium, le reste étant du titane et les impuretés habituelles. Les alliages de titane selon l'invention, après avoir subi le traitement superficiel prévu dans le plasma d'une décharge luminescente,présentent, par rapport à l'état actuel de la technique, une dureté plus importante à 0,05 et 0,1 mm de la surface (ci-après appelée respectivement dureté,05 et dureté 0,1) et une profondeur de trempe plus grande, qui correspond encore à des duretés Vickers > 600. Alors que, avec l'alliage traité par le procédé Tiduran, la dureté 0,05 correspond à la dureté du noyau, c'est-à-dire qu'il n'y a pratiquement plus de pénétration de trempe, l'éprouvette traitée au plasma présente une dureté Vickers de 500. La profondeur de trempe de l'éprouvette en l'alliage selon 25 l'invention est ainsi près de trois fois plus importante
qu'après un traitement par le procédé Tiduran.
L'alliage selon l'invention présente un autre avantage: la profondeur de trempe, en théorie plus importante après le traitement au plasma, peut être dans la pratique entièrement 30 utilisée; en effet, au contraire des surfaces traitées par attaque au bain de sel, aucune opération de retouche n'est nécessaire (ou alors seulement une faible retouche). On peut ainsi profiter des différentes propriétés des trois couches
représentatives des alliages de titane.
Les micrographies des trois alliages de titane traités dans le plasma d'une décharge luminescente, et dont les courbes de dureté sont représentées sur la Figure 2, mettent
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en évidence une même structure stratifiée. On observe directement sur la surface une couche de nitrure de titane, de 1-2 Dm d'épaisseur et très dense, couche qui, dans la coupe métallographique, a une coloration jaunâtre. Immédiate5 ment en-dessous, on a une couche a-stabilisée blanche, d'environ 5 gm d'épaisseur, qui pour sa part se poursuit par la couche de diffusion de 0,15-0,40 mm de large, couche qui présente une concentration, décroissante vers l'intérieur, d'éléments à inclusion interstitielle (azote, carbone, oxygène). La Figure 2 montre nettement que le traitement des alliages de titane dans le plasma de décharges luminescentes est supérieur aux autres procédés de diffusion en phase gazeuse, en bain de sel ou en poudre, cette supériorité résultant du nombre nettement plus grand de paramètres de 15 procédé pouvant être librement choisis. La profondeur de trempe de l'alliage Ti-6A1-4V, traité au plasma, et déjà nettement plus importante, subit une extension encore plus
forte avec l'alliage Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo grâce à un élargissement de la couche de diffusion.
Avec dans la texture une teneur plus élevée en l'alliage et une teneur plus faible en la phase alpha, on obtient, pour une dureté Vickers du coeur d'environ 400, une dureté 0,05 de 640 et une dureté 0,1 de 540 (duretés Vickers). On appellera
profondeur de durcissement par nitruration la dureté du coeur 25 augmentée de 50 unités Vickers. On obtient alors 0,27 mm.
On peut ainsi, pour la première fois dans les alliages de titane, arriver à des profondeurs de trempe et à des
duretés comparables aux propriétés des aciers de nitruration.
Le procédé selon l'invention permet d'augmenter la couche de 30 diffusion, dont la dureté croit en continu, ce qui améliore nettement l'aptitude de cette couche à-supporter les couches extérieures, très dures. On a ainsi rempli les conditions permettant d'utiliser des alliages de titane en tant que matériaux par exemple pour des roues dentées soumises à des 35 contraintes élevées dans les transmissions des moteurs d'avion et d'hélicoptère, avec en plus -l'-1avantage d'une économie de poids pouvant aller jusqu'à 40 %. L'augmentation
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de la profondeur de trempe permet aussi de construire des paliers en alliages de titane. Enfin, l'utilisation de bielles, de segments de piston, de culbuteurs et de soupapes en alliages de titane traités au plasma diminue fortement les 5 forces dynamiques appliquées (ces alliages ayant par rapport à l'acier une densité d'environ 40 % plus faible), avec comme conséquence finale une amélioration du rendement des moteurs
et des machines.
Lors de la transformation de produits soumis à des contraintes par corrosion et/ou par abrasion, l'application d'une couche par le procédé au plasma de décharges luminescentes assure une augmentation du rendement des vis sans fin, des cylindres, des tuyères et sonotrodes en alliages de
titane. Le procédé proposé pour appliquer des couches anti15 usure élargit aussi les possibilités d'utilisation des tronçonneuses légères et/ou rapides en alliages de titane.
Le temps de traitement est d'au moins une heure, et il n'est essentiellement limité vers le haut que par des problèmes de rentabilité. Selon la durée du traitement, on pourra 20 obtenir des profondeurs de trempe de 0,02 mm et plus, de préférence de 0,25 mm. Les alliages de titane traités au plasma d'une décharge luminescente sont utilisés en particulier pour les broches, les arbres de transmission, les roues dentées, les crémaillères, les rouleaux, les pignons, les bagues de synchronisation, les paliers lisses, les roulements à billes, les roulements à rouleaux, les roulements à aiguilles, les vilebrequins, les arbres à cames, les bielles, les segments de piston, les culbuteurs, les soupapes, les bords avant des aubes des turbines à vapeur, les vis sans fin, les cylindres, 30 les buses et tuyères, les sonotrodes et les tranchants des
tronçonneuses et outils analogues.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir
desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes 35 de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
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Claims (11)

Revendications
1. Utilisation d'un alliage technique de titane, forgé, coulé ou fritté, ayant une résistance mécanique minimale de 640 N/mm2, et constitué de 3 à 28 % d'un ou plusieurs des 5 éléments aluminium, chrome, fer, hafnium, cobalt, cuivre, manganèse, molybdène, nickel, niobium, palladium, argent, silicium, tantale, vanadium, tungstène, étain, zirconium, béryllium, bore, carbone, oxygène, terres rares et yttrium, le reste étant du titane, avec les impuretés habituelles dues 10 au mode de fabrication, caractérisée en ce qu'elle s'applique à la fabrication d'éléments de machine dont les couches superficielles, pour améliorer la résistance à l'usure (en particulier due à l'érosion et à la cavitation), et/ou pour augmenter la pression superficielle maximale admissible, sont 15 traitéesdans le plasma de décharges luminescentes à des températures supérieures à 700 C, le gaz de traitement contenant de faibles quantités (pressions partielles de 0,1 à 50
mbar) d'azote.
2. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendi20 cation 1, caractérisée en ce qu'on utilise pour le traitement
superficiel un gaz qui, outre l'azote, contient encore éventuellement de faibles quantités de carbone et/ou d'oxygène.
3. Utilisation d'un alliage de titane selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'on
atteint, pour un temps de traitement d'au moins une heure, une profondeur de trempe d'au moins 0,02 mmn, et de préférence de
0,25 mm.
4. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un recuit de mise en solution 30 diminue, en particulier dans les alliages (a +), la part de
la phase alpha.
5. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendication 1, caractérisée en ce que le traitement dans le plasma de la décharge luminescente est effectué à une température qui, 35 pour augmenter la vitesse de diffusion, ne se trouve pas à plus de 200 C en-dessous de la température de transition bêta
de l'alliage considéré.
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6. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un recuit de détente des pièces ayant subi un traitement préalable neutralise dans une large mesure les tensions internes résultant des traitements préalables ou les modifications de structure liées aux modifications de volume à la température de traitement, la température du traitement de détente étant du même ordre de
grandeur que la température du traitement ultérieur, et pouvant éventuellement la dépasser au maximum de 50 C.
7. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de machine, avant traitement par le plasma de décharges luminescentes,ont subi un finissage presque complet, une retouche ultérieure, pour corriger une faible augmentation de volume ou une faible 15 augmentation de rugosité, n'étant effectuée qu'au moyen d'un enlèvement de copeaux faible ou nul, inférieur à 0,020 mm,
par polissage, pierrage ou rodage.
8. Utilisation d'un alliage technique de titane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle s'applique à la 20 fabrication de broches, d'arbres de transmission, de roues dentées, de crémaillères, de rouleaux, de pignons, de bagues de synchronisation, de maillons de chaîne, de paliers lisses, de roulements à billes, de roulements à rouleaux, de roulements à aiguilles, de vilebrequins, d'arbres à cames, de bielles, 25 de segments de piston, de culbuteurs, de soupapes, d'arêtes avant des aubes et turbines à vapeur, de vis sans fin, de cylindres, de buses et tuyères, de sonotrodes ou de tranchants
de tronçonneuses.
9. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendica30 tion 1, caractérisée en ce que l'alliage porte la désignation Ti-6A1-4V, et est constitué de 4,5 à 6,75 % d'aluminium et 3,5 à 4,5 % de vanadium, le reste étant du titane et les
impuretés habituelles.
10. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendica35 tion 1, portant la désignation Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si, comprenant 5,5 à 6,5 % d'aluminium, 3,:6 à 4,4 % de zirconium, 1,8 à 2,2 %de molybdène, 1,8 à 2, 2 %d'étain, au maximum 0,1 % de
9 2598440
silicium, le reste étant du titane et les impuretés habituelles
dues au procédé de fabrication.
11. Utilisation d'un alliage de titane selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage porte la désigna5 tion Ti-8Al-1Mo-1V et comprend 7,35 à 8,35 % d'aluminium, 0,75 à 1,25 % de molybdène, 0,75 à 1, 25 % de vanadium, le reste étant du titane et les impuretés habituelles dues au procédé
de fabrication.
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