FR2979702A1 - Procede de preparation d'eprouvettes de caracterisation mecanique d'un alliage de titane - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un procédé de fabrication d'une ou plusieurs éprouvettes de caractérisation mécanique d'un alliage de titane forgé β, présentant une microstructure de type peau de forge avec des aiguilles alpha épaisses et fragmentées, comprenant les étapes suivantes: a. Réalisation d'une billette en ledit alliage,- Prélèvement d'un lopin de forme cylindrique dans la billette, b. Chauffage du lopin dans un four (1) à une température T1 de mise en solution, supérieure à la température Tβ, pendant une durée t1 d'homogénéisation de la température, c. Transfert du lopin dans un four (2) à une température T2 inférieure à Tβ, pendant une durée t2 d'homogénéisation de la température, d. Forgeage d'un galet par matriçage axial à chaud du lopin, le taux de déformation étant supérieur à 0,5, >0,5, de manière à obtenir ladite microstructure, puis refroidissement à la température ambiante. e. Traitement thermique du galet obtenu,- usinage d'éprouvettes de caractérisation mécanique dans la partie du galet présentant ladite microstructure,

Description

La présente invention concerne le domaine du forgeage de pièces en alliage de titane, l'alliage de titane ayant un domaine p à une température supérieure à la température I3-transus, et vise un procédé de réalisation par forgeage d'un galet en alliage de titane présentant, au moins en partie, une microstructure de type « peau de forge » comprenant des aiguilles alpha, épaisses, nombreuses et fragmentées, de manière à en permettre l'extraction d'éprouvettes de caractérisation mécanique du matériau ainsi réalisé. Art antérieur Les alliages de titane en raison de leurs rapports résistance/masse élevés sont utilisés dans le domaine aéronautique, en particulier pour fabriquer des pièces de turbomachine, soumises à des contraintes importantes et à des températures élevées pouvant aller jusqu'à 600°C. Le titane pur existe sous deux formes cristallographiques : La phase a de structure hexagonale compacte est stable à température ambiante, et la phase p de structure cubique centrée est stable au dessus de la température appelée I3-transus ou transus p, qui est égale à 883°C pour le titane pur. Sur les diagrammes de phase d'alliages de titane alliés à d'autres éléments, on retrouve la phase p au dessus de la température I3-transus, et en dessous de cette température un équilibre entre la phase p et la phase a dont les proportions dépendent des éléments d'alliage. La microstructure a-I3 est constituée d'un mélange de phase a et de phase p. Les éléments alliés ont notamment pour effet de faire varier la température I3-transus autour de 883°C. La mise au point d'un alliage de titane possédant les propriétés voulues consiste notamment à sélectionner des éléments d'alliage, et à choisir le traitement thermomécanique subi par l'alliage. Le présent demandeur a développé des procédés de forgeage de pièces mécaniques en alliage de titane dont par exemple les procédés décrits dans les demandes de brevet W02010031982, W02010031985, FR2952559 et FR2899241. Un procédé de fabrication de disques de compresseur en alliage Ti17, dont la formule est Ti-5A1- 25n-2Zr-4Mo-4Cr, comprend plusieurs étapes de forgeage dont l'une est effectuée dans le domaine f3, c'est-à-dire dont l'opération de matriçage est effectuée à une température supérieure à la température I3-transus. Il se forme en surface de ces pièces des zones dont les propriétés mécaniques sont moindres et dont la microstructure présente des aiguilles ou navettes de phase alpha, relativement épaisses. Ces zones constituent ce que l'on désigne par l'expression de « peau de forge ». L'épaisseur de cette dernière varie selon la forme de la pièce forgée et aussi selon les paramètres du procédé de forgeage dans le domaine p de celle-ci. Elle peut aller, pour un disque de compresseur, de 0 à 10 mm. Cette microstructure apparaît si le procédé utilisé est un forgeage à l'air libre en matrices chaudes. Plus la température des matrices se rapproche de la température de la pièce à forger (forgeage quasi-isotherme), plus l'épaisseur de la microstructure de type « peau de forge » diminue.

Il serait souhaitable de pouvoir caractériser le matériau dans cette zone, c'est-à-dire d'en analyser les propriétés mécaniques, dans le but d'en évaluer son acceptabilité sur pièces. En effet dans la mesure où sur les pièces telles que les disques en alliage de titane forgés dans le domaine p., des structures de type peau de forge sont formées et si ces structures s'étendent jusque dans la pièce pré-usinée, elles entraînent une mise sous dérogation et des contrôles supplémentaires pour décider si la pièce doit être rebutée ou non. Un moyen pour caractériser un matériau métallique consiste à extraire des éprouvettes de ce matériau et à les soumettre à des tests mécaniques pour en déterminer des caractéristiques mécaniques à température ambiante et aux températures d'utilisation : module d'Young, allongement à la rupture, résistance à la traction, limite élastique, fatigue oligocyclique ou vibratoire, plus particulièrement limite de rupture en fatigue, etc. Pour que la partie utile de l'éprouvette mécanique contienne un volume de matière représentatif, il est préférable d'utiliser des éprouvettes à fût cylindrique plutôt que des éprouvettes plates.

Cependant dans les conditions usuelles de forgeage, l'épaisseur obtenue est trop faible pour que l'on puisse en extraire des éprouvettes de caractérisation mécanique à fût cylindrique. Une solution serait de dégrader volontairement les conditions de forgeage d'une pièce sacrifiée, un disque de compresseur en Ti17, pour obtenir une microstructure de type peau de forge en forte épaisseur. Mais une telle méthode serait coûteuse à mettre en oeuvre à la fois en temps et en pièces sacrifiées car elle demanderait, pour chaque condition testée, à réitérer les essais avec modification des paramètres de forgeage jusqu'à obtenir l'épaisseur recherchée.

Exposé de l'invention C'est ainsi que la demanderesse s'est fixé comme objectif de reproduire la microstructure recherchée en quantité suffisante pour permettre l'usinage d'au moins une éprouvette avec laquelle on pourra réaliser des essais de caractérisation mécanique, de fatigue ou autre. Le procédé conforme à l'invention, de fabrication d'une ou plusieurs éprouvettes de caractérisation mécanique d'un alliage de titane avec une température I3-transus, TI3, présentant une microstructure de type peau de forge avec des aiguilles a épaisses et fragmentées, comprend les étapes suivantes: - Réalisation d'une billette en ledit alliage, - Prélèvement d'un lopin de forme cylindrique dans la billette, - Chauffage du lopin dans un four à une température Ti de mise en solution, supérieure à la température TI3, pendant une durée tl d'homogénéisation de la température. Transfert du lopin dans un four à une température T2 inférieure à TI3, pendant une durée t2 d'homogénéisation de la température. Forgeage d'un galet par matriçage axial à chaud du lopin, le taux de déformation c étant supérieur à 0,5, c>0,5, de manière à obtenir ladite microstructure, puis refroidissement à la température ambiante ; - Traitement thermique du galet obtenu ; - Extraction d'éprouvettes de caractérisation mécanique dans la partie du galet présentant ladite microstructure. Le procédé de l'invention présente l'avantage de mettre à disposition, par des opérations de forge simples, toute quantité souhaitée de matériau pour l'analyse des propriétés mécaniques. En outre, les paramètres étant parfaitement définis, la méthode permet d'extraire les éprouvettes de manière reproductible sur un grand nombre de galets. La méthode vise en particulier l'alliage Till en raison de l'application de celui-ci à la fabrication 30 de pièces telles que les disques de compresseur de type DAM, qui est l'acronyme de disque aubagé monobloc, où les aubes forment un seul bloc avec le disque en étant obtenus par usinage d'une ébauche de disque forgée.

Le présent procédé s'applique à d'autres alliages de titane équivalents tels que l'alliage Ti6242 ou tout autre alliage de titane utilisé pour obtenir une pièce à mise en forme finale dans le domaine bêta.

De préférence, la température de chauffage d'homogénéisation est Ti = TI3 + 25°C soit environ 915°C pour le Till pendant une durée de 2 heures, TI3 se situant entre 880°C et 900°C. De préférence encore, la température T2 de chauffage dans le second four est comprise entre 750°C et 850°C ; elle est choisie en fonction de la famille de microstructure que l'on souhaite obtenir. La durée de chauffage est de préférence encore de 2 heures. Conformément à une autre caractéristique, les matrices de forgeage sont chauffées et sont de préférence maintenues à une température comprise entre T2 moins 50°C (T2-50°C) et T2.

Conformément à une autre caractéristique, le taux de déformation global c est inférieur à 2, de préférence entre 1 et 1,5. Le taux de déformation global c est défini comme le logarithme du rapport de la hauteur ou épaisseur du lopin avant déformation et de son épaisseur après déformation : Si la pièce n'est pas déformée, le taux de déformation est égal à 0. On a constaté que la déformation du lopin devait être suffisante, donc >0,5, pour obtenir la formation d'une microstructure de type « peau de forge ». Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : - La figure 1 représente de façon schématique les différentes étapes de préparation d'un galet présentant la microstructure souhaitée ; - La figure 2 est une photographie d'une coupe d'un galet obtenu par le procédé illustré par la figure 1 ; - les figures 3 et 4 sont des micrographies optiques des deux zones distinctes de la coupe du galet de la figure 2 Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Le procédé comprend une étape de réalisation d'une billette d'alliage de titane tel que Ti 17 dans laquelle on prélève des lopins cylindriques L. Dans l'exemple considéré les lopins ont une hauteur de 160 mm pour un diamètre de 80 mm. Ils sont ensuite émaillés ; l'émail ayant une fonction de lubrification. Comme on le voit sur la figure 1, on dispose un lopin L dans un four 1. Etape A, le lopin est chauffé à une température T1 supérieure à la température f3-transus pour cet alliage soit TI3+25°C = 915°C environ pour l'alliage Ti17. Le lopin est maintenu à cette température pendant 2h30, suffisamment longtemps pour que la température du lopin soit sensiblement homogène et égale à Tl. Le lopin est sorti du four 1 puis est transféré dans un second four 2 dans lequel, étape B, il est maintenu à une température T2, inférieure à la température 13-transus. Comme pour le chauffage précédent, le lopin est maintenu à cette température T2 suffisamment longtemps, environ 2h à 2h30, pour que sa température soit homogénéisée. Au cours de cette étape B, des aiguilles a épaisses se forment dans la matrice p. Dans l'étape C suivante le lopin est transféré rapidement, en moins de 30s, dans une presse 3, par exemple une presse Cosmo 1000 tonnes où il subit l'opération de forgeage, étape D, et est mis en forme dans des matrices qui sont chauffées à une température comprise entre T2-50°C et T2, ici les matrices sont planes. Le forgeage est donc effectué à cette température. Le déplacement du coulisseau supérieur supportant la matrice supérieure est déterminé par le taux de déformation c voulu pour le lopin. Des taux c compris entre 1 et 1,5 conviennent pour obtenir la structure souhaitée. Le lopin a pris la forme d'un galet qui après refroidissement à l'air est traité thermiquement T3, R2, étape E. Le traitement T3 comprend un chauffage à 800°C pendant 4h suivi d'une trempe à l'eau et le traitement R2 comprend un chauffage à 625°C pendant 8h suivi d'une trempe à l'air. Les galets ainsi obtenus sont prêts pour qu'y soit prélevées une ou plusieurs éprouvettes mécaniques à fût cylindrique pour subir les essais mécaniques de caractérisation.. On a représenté le galet vu en coupe axiale sur la figure 2. On distingue une première zone I en forme de sablier couché et deux zones II l'une supérieure, l'autre inférieure, de part et d'autre de la partie centrale du sablier.

Comme on le voit sur les figures 3 et 4, la première zone I présente une microstructure, dite de type peau de forge, qui se caractérise par la présence de navettes a, ou aiguilles a courtes, aux joints de grains ou bien généralisées, formées, lors du forgeage, par fragmentation des aiguilles a épaisses apparues dans le four T2. On a noté que l'on obtenait différentes familles de microstructure selon la température de forgeage entre 750°C et 850°C. La seconde zone II est une zone morte dans laquelle le taux de déformation local est nul ou très faible.