FR2836640A1 - Produits minces en alliages de titane beta ou quasi beta fabrication par forgeage - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet :- des produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane β ou quasi β dont la microstructure à coeur est constituée de grains entiers présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre compris entre 10 et 300 ν m; - la fabrication par forgeage desdits produits.
Description
nettoyage (6) et du ou des gicleurs (21).
La présente invention a pour objet des produits minces en alliages de titane, ou quasi,B ainsi que la fabrication par forgeage desdits
produits minces.
Elle concerne plus précisément: - des produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane ou quasi b, qui présentent une microstructure originale; - un procédé pour la fabrication desUits produits qui, de façon
caractéristique, est basé sur une opération de forgeage.
Le contexte de conception et de développement de l'invention présentement revendiquée a été celui de la fabrication de disques aubagés monoblocs (DAM) avec pales rapportées par soudure friction linéaire. LesUits disques auhagés monoblocs, en rétérence à leurs propriétés mécaniques et notamment leur résistance à la fatigue vibratoire, sont généralement en un alliage de titane, ou quasi,B. Ils sont
obtenus, à ce jour, par usinage, dans un brut massif.
A l'encontre de l'obtention par forgeage des aubes de tels disques en un alliage de titane,B ou quasi,B, il existait un réel préjugé. Le forgeage de structures en alliages de titane ou quasi b, c'est-à-dire de structures à gros grains, pour élaborer des pièces de faibles épaisseurs (pales), ne pouvait a priori conduire qu'à de telles pièces, aux propriétés mécaniques (notamment tenue aux chocs, résistance à la fatigue
vibratoire) décevantes.
De façon tout à fait surprenante, dans le cadre de la présente invention, des aubes (produits minces) en alliages de titane ou quasi performantes (présentant u ne bon ne sa nté méta l l u rgique et de bon nes caractéristiques mécaniques) ont été obtenues par forgeage (c'est-à-dire avec économie de matière, par rapport à la technique d'usinage, classiquement mise en oeuvre). Lesdites aubes ont de plus des durées de vie supérieures à celles des aubes obtenues par usinage; elles peuvent par ailleurs étre obtenues avec des géométries optimisées, permettant d'améliorer l'aérodynamique, donc les performances du moteur dans
lequel elles sont susceptibles d'intervenir.
L'invention a donc été conçue et développée, de manière non évidente, dans ce contexte de la fabrication des disques aubagés monoblocs (DAM). Elle n'est toutefois nullement limitée audit contexte; elle s'exprime, également, tout naturellement dans des contextes plus ou moins voisins, tels celui de la fabrication d'anneaux aubagés monoblocs (ANAM), ceux de la réparation desdits disques aubagés monoblocs (DAM) et anneaux aubagés monoblocs (ANAM), et plus généralement celui de la fabrication de produits minces en titane ou quasi p. La ma^'trise du forgeage, selon l'invention, de lopins en alliages de titane ou quasi,B, de faibles épaisseurs, a permis l'obtention de produits minces, en lesdits alliages de titane ou quasi, originaux de par
leur microstructure à c_ur.
Lesdits produits constituent le premier objet de la présente invention. Le procédé de forgeage ma^'trisé qui conduit auxdits produits en
constitue le second objet.
Selon son premier objet, la présente invention concerne donc des produits manufacturés, non axisymétriques (les fils sont ainsi exclus), d'une épaisseur inférieure à 10 mm (ces 10 mm précisent les notions de "faible épaisseur", de "produits minces", utilisées dans le présent texte), en alliages de titane ou quasi 0, dont la microstructure à coeur est constituée de grains présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un
diamètre équivalent compris entre 10 et 300,um.
Les alliages de titane ou quasi, (que l'on peut aussi qualifier de proche p) sont familiers à l'homme du métier. Ils présentent une structure hexagonale compacte. Ils sont parfaitement définis, notamment dans les Handbooks américains (US): l'ASMH (AMERICAN SOCIETY MATERIAL HANDBOOK) et le MILH (MILITARY HANDBOOK). Leur utilisation est. à ce jour, cantonnée à la fabrication de pièces forgées
massives ou de fortes épaisseurs.
De fason caractéristique, les produits manufacturés de l'invention, en lesdits alliages, sont des produits minces qui portent l'hérédité de leur procédé de fabrication, basé sur une ou plusieurs opérations de forgeage. Leur microstructure à coeur est originale. Les
grains de ladite microstructure à coeur ont été corroyés.
Ils présentent un taux d'élancement supérieur à 4; ledit taux d'élancement étant classiquement défini comme le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension dans le plan de coupe axiale. Ils présentent un diamètre équivalent compris entre 10 et 300,um. En lieu et place des gros grains tronqués que l'on trouve dans la structure de produits équivalents (minces) obtenus par usinage, ce sont des grains entiers, écrasés, lenticulaires que l'on trouve au coeur des
produits de l'invention.
Les produits manufacturés de l'invention, de par les caractéristiques énoncées ci-dessus, sont des produits nouveaux. Ces produits nouveaux sont susceptibles d'être obtenus par forgeage. Comme expliqué précédemment, il existait un réel préjugé à chercher à obtenir des structures minces par forgeage de structures plus épaisses à gros grains et, de manière tout à fait surprenante, de telles structures minces
se sont révélées présenter des caractéristiques très intéressantes.
Les produits manufacturés de l'invention consistent
avantageusement en des aubes de compresseurs de turbomachines.
L'invention n'est toutefois nullement limitée à ce contexte. Les produits en cause peuvent également consister en des hélices, de sous marins notamment, en des pales de ventilateurs ou mélangeurs (susceptibles d'intervenir dans des milieux justifiant la constitution desdites pales en alliages de titane ou quasi p). Cette liste ne saurait
étre exhaustive.
Selon une variante particulièrement préférée (en aucun cas,
limitative), les produits manufacturés de l'invention sont en alliage Ti, 7.
Cet alliage, familier à l'homme du métier, est utilisé à ce jour pour
fabriquer des pièces massives, notamment des disques de compresseurs.
Il présente des contraintes d'écoulement élevées et a lui aussi la
réputation d'étre difficilement forgeable.
Il s'agit plus précisément de l'alliage: TA5CD4, selon la nomenclature métallurgique,
TiAl5Cr2Mo4, selon la nomenclature chimique.
De ma nière tout à fait su rprenante, les i nventeu rs ont, da ns le cadre de l'invention présentement revendiquée, forgé des pièces minces, en ledit alliage Ti7, avec des taux de corroyage importants; lesdites
pièces forgées présentant des propriétés mécaniques élevées.
On en vient maintenant au deuxième objet de la présente invention, à savoir le procédé de fabrication des prod u its nouveaux,
décrits ci-dessus.
Ledit procédé de fabrication comprend: - l'obtention d'un lopin émaillé; la transformation, si nécessaire, dudit lopin en un produit long d'un diamètre équivalent inférieur à 100 mm; - le forgeage dudit produit long; - la trempe dudit produit long forgé; et
- le revenu dudit produit long forgé trempé.
Le produit à forger est. de fason classique, préalablement émaillé. Ledit produit consiste généralement en un demi-produit, obtenu par filage ou forgeage d'un matériau de départ, à plus gros diamètre équivalent (à plus forte épaisseur). Il peut notamment s'agir d'une barre (présentant, par exemple, un diamètre de 25 mm), obtenue par filage d'une billette. Les alliages en titane ou proche,B existent en effet principalement sous la forme de telles billettes (destinées à la fabrication
de disques de compression par usinage).
Ce produit émaillé, généralement donc demi-produit émaillé, d 'u n dia mètre (éq uiva lent) i nférieu r à 1 00 m m, est. se lon l'i nvention, transformé par forgeage en un produit manufacturé d'une épaisseur
inférieure à 10 mm.
Pour l'obtention d'un tel produit manufacturé, aux propriétés optimisées, on préconise la mise en oeuvre du forgeage dans les conditions ci-après. L'opération de forgeage comprend au moins deux chaudes: - une première chaude en sub ou super transus 0, généralement à une température comprise entre 700 et 1000 C; - une dernière chaude en super transus, généralement à une
température supérieure à 880 C.
Les températures en cause sont bien évidemment dépendantes
de l'alliage de Ti,B ou Ti quasi concerné.
Le taux de réduction à chaque chaude est supérieur ou égal (avantageusement supérieur) à 2 et les vitesses de forge (ou vitesses
d'écrasement) sont comprises entre 1 et 1.10-5 si.
L'opération de forgeage peut tout à fait étre limitée aux deux chaudes, telles que précisées ci-dessus (la seconde desdites deux chaudes étant impérativement une chaude en super transus,B). Elle peut inclure une chaude supplémentaire, en sub ou super transus 0, avant la dernière (troisième) chaude en super transus,. Il n'est pas totalement exclu qu'elle inclut plus de trois chaudes (la dernière de ces chaudes étant impérativement une chaude en super transus,) mais l'intérét de muitiplier
ainsi le nombre de chaudes n'est pas évident.
L'opération de forgeage inclut donc généralement deux ou trois
chaudes, mises en oeuvre dans les conditions précisées ci-dessus.
De faço n classiq ue, le prod u it fo rgé est éve ntue lle me nt ré-
émaillé entre deux chaudes successives.
Selon une variante de mise en oeuvre avantageuse, la matrice de forgeage est maintenue à une température comprise entre 100 et
700 C.
L'opération de forgeage est classiquement suivie d'une trempe (généralement immédiatement suivie d'une telle trempe). Une telle trempe peut notamment être mise en oeuvre sous air puisé, sous air calme, dans un bain d'huile ou sur matrice. Elle est avantageusement mise en oeuvre dans des conditions qui induisent une vitesse de refroidissement inférieure ou égale à celle induite par une trempe dans un
bain d'huile.
Le reven u d u produ it forgé, trem pé, est avantageusement m is en oeuvre à une température comprise entre 620 et 750 C, pendant 3 à 5 h. On optimise ses conditions de mise en oeuvre en fonction des caractéristiques recherchées pour le produit fini. On veille à effectuer ledit revenu sous atmosphère inerte (notamment vide ou argon) si l'émaillage
est fissuré ou écaillé.
Selon une variante particulièrement avantageuse, le procédé de l'invention est mis en oeuvre dans les conditions ci-après: - le lopin est en alliage Ti7 (TA5CD4 ou TiAl5Cr2Mo4); - le forgeage comprend une première chaude à une température inférieure ou égale à 840 + 10 C (en sub transus,B) ou à une température supérieure ou égale à 940 + 10 C (en super transus,) et une seconde chaude à une température de 940 + 10 C (en super transus p); la trempe est mise en _uvre sur matrice puis à l'air calme; - le revenu est mis en oeuvre à 630 C pendant 4 h. Il conduit à un produit, tel que décrit dans la première partie de
- ce texte, qui peut notamment consister en une aube.
La fabrication d'une telle aube est précisée dans l'exemple ci-
après, donné à titre purement illustratif. Sur les figures 1 et 2 annexées, on montre, à différentes échelles, la microstructure à c_urmicrostructure originale - d'une telle aube. Sur la figure 1 -coupe dans les trois directions: coupe 1 0 tra nsversa le selon le plan A, long itudi na le selon le plan B et faciale selon le plan C; grossissement: x 20 - on voit clairement la forme lenticulaire des grains: fortement écrasés dans les directions transversale et
longitudinale et présentant une large face dans la coupe faciale.
Sur la figure 2 - fort grossissement: x 5000 - on montre la microstructure interne des grains. On a référencé 1 un grain écroui, 2 un
grain recristallisé. Les aiguilles oc sont très fines et très enchevêtrées.
Exemple: Fabrication d'une aube en Ti7 par forgeage.
Le procédé mis en _uvre comporte les étapes successives ci-après: - filage d'une barre (<P < 100 mm) pour obtenir un lopin (<P: 27 mm) de 240 mm de long; - émaillage; - écrasement radial de la barre filée pour former la pale et le pied; - matrice de forgeage portée à 200 C; - vitesse de frappe (presse à vis): 10-4 s; - 1èrechaude: le lopin émaillé, maintenu 45 min à 940 C (chaude en super transus B) est écrasé jusqu'à
présenter une épaisseur de 13 à 8 mm.
- 2èmechaude: conditions identiques à la 1ère. Le nouvel écrasement génère une pièce dont l'épaisseur
varie de 9 à 1 mm.
- refroidissement sur matrice puis par air calme sur table; - revenu direct après forge de 630 C/4 h. Il génère une aube dont la microstructure à c_ur est telle que
montrée sur les figures annexées.
Claims (12)
1. Produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane,B ou quasi 0, dont la microstructure à c_ur est constituse de grains entiers présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre équivalent compris entre 10 et 300,um.
2. Produits manufacturés selon la revendication 1, susceptibles
d'être obtenus par forgeage.
3. Produits manufacturés selon l'une des revendications 1 ou 2,
consistant en des aubes de compresseurs de turbomachines.
4. Produits manufacturés selon l'une quelconque de revendi
cations 1 à 3, en alliage Ti7 (TA5CD4 ou TiAl5Cr2Mo4).
5. Procédé de fabrication d'un produit selon l'une quelconque
des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend:
- l'obtention d'un lopin émaillé; - la transformation, si nécessaire, dudit lopin en un produit long d'un diamètre équivalent inférieur à 100 mm; - le forgeage dudit produit long; - la trempe dudit produit long forgé; et
- le revenu dudit produit long forgé trempé.
6. Procédé selon la revend ication 5, caracté risé en ce q ue led it forgeage comprend au moins deux chaudes, la première en sub ou super transus et la dernière en super transus D; le taux de réduction à chaque chaude étant supérieur ou égal à 2 et les vitesses de forge étant
comprises entre 1 et 1.10-5 s.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce q ue led it forgeage comprend trois chaudes; une première et une seconde, indépendamment, en sub ou super transus et une troisième en super transus D.
8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en
ce qu'il comprend un réémaillage du produit entre deux chaudes.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8,
caractérisé en ce que la matrice de forgeage est maintenue à une
température comprise entre 100 et 700 C.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9,
cara*érisé en ce que ladite trempe est mise en oeuvre dans des conditions qui induisent une vitesse de refroidissement inférieure ou égale
à celle induite par une trempe dans un bain d'huile.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10,
caractérisé en ce que ledit revenu est mis en oeuvre à une température comprise entre 620 et 750 C, pendant 3 à 5 h.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 11,
caractérisé en ce que: - ledit lopin est en alliage Ti7 (TA5CD4 ou TiAI5Cr2Mo4); - ledit forgeage comprend une première chaude à une température inférieure ou égale à 840 + 10 C ou à une température supérieure ou égale à 940 + 10 C et une seconde chaude à une température de 940 + 10 C; - ladite trempe est mise en oeuvre sur matrice puis à l'air calme; et
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