FR2936172A1 - 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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Abstract

L'invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique, comportant les étapes suivantes : - on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une température de bêta transus T ; - on réalise au moins une étape de forgeage ébauche de ladite billette à une température T inférieure à la température de bêta transus T avant de réaliser l'opération de forgeage, ce par quoi on aboutit à une ébauche ; - on réalise une étape de forgeage final de ladite ébauche à une température T supérieure à la température de bêta transus T avant de réaliser l'opération de forgeage, ce par quoi on aboutit à une pièce forgée. De façon caractéristique, ladite opération de forgeage de l'étape de forgeage ébauche réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal. Application à une pièce tournante d'une turbomachine.

Description

L'invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique comportant ce procédé de forgeage, une pièce thermomécanique résultant de ce procédé de forgeage ou de ce procédé de fabrication, ainsi qu'une turbomachine comprenant une telle pièce thermomécanique. L'invention 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). 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 Tp, les températures inférieures à la température de bêta transus Tp 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. Cette billette est 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 to et t1 depuis la température ambiante To jusqu'à la température T1 inférieure à la température de bêta transus Tp. Habituellement, cette température T1 est de l'ordre de la température de bêta transus Tp û 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 coeur 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 To, 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 To 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 Tp, 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 To 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 oeuvre 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 Tp. Habituellement, cette température T2 est de l'ordre de la température de bêta transus Tp +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 To 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 Tp), 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 Tp 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 To 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. 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, comportant les étapes suivantes : - on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une 20 température de bêta transus Tp ; - 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 Tp avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite billette subit une déformation 25 plastique, ce par quoi on aboutit à une 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 Tp avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite ébauche subit une déformation 30 plastique, ce par quoi on aboutit à une 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 supérieure à un taux de déformation minimal. 35 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 Tp.
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 constitué 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 Tp,, 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 Tp , 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 Tp), 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 25 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), 30 - 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 35 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 pm. 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 (16)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique en alliage de titane, comportant les étapes suivantes : - on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une 5 température de bêta transus Tp ; - 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 Tp avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite billette subit une déformation 10 plastique, ce par quoi on aboutit à une 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 Tp avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite ébauche subit une déformation 15 plastique, ce par quoi on aboutit à une pièce forgée, caractérisé en ce que ladite opération de forgeage de l'étape de forgeage ébauche réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal.
  2. 2. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce que ledit taux de déformation minimal est d'au moins de 0,2.
  3. 3. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est de 0,3.
  4. 4. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est de 0,4. 25
  5. 5. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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 30 à un taux de déformation minimal égal à 0,3.
  6. 6. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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.
  7. 7. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 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.
  8. 8. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 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.
  9. 9. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane est un alliage de type alpha-bêta.
  10. 10. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane est le 20 Ti 6242 ou Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo.
  11. 11. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'alliage de titane est le Ti 17 ou Ti-5AL-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr.
  12. 12. Procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique 25 réalisée dans un alliage de titane, caractérisé en ce qu'il comprend un procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes
  13. 13. Pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane dont le procédé de fabrication comporte le procédé de forgeage selon 30 l'une quelconque des revendications 1 à 11 ou résultant du procédé de fabrication selon la revendication 12.
  14. 14. Pièce thermomécanique selon la revendication 13 caractérisée en ce qu'elle forme une pièce tournante d'une turbomachine.
  15. 15. Pièce thermomécanique selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle forme un disque de compresseur haute pression.
  16. 16. Turbomachine comprenant une pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 13 à 15.5
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