WO2011048334A2 - Traitement thermique de relaxation. - Google Patents

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WO2011048334A2
WO2011048334A2 PCT/FR2010/052239 FR2010052239W WO2011048334A2 WO 2011048334 A2 WO2011048334 A2 WO 2011048334A2 FR 2010052239 W FR2010052239 W FR 2010052239W WO 2011048334 A2 WO2011048334 A2 WO 2011048334A2
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piece
temperature
titanium alloy
tooling
creep
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PCT/FR2010/052239
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English (en)
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WO2011048334A3 (fr
Inventor
Christophe Daffos
Michel Miquel
Laurent Foucher
Vincent Albert
Original Assignee
Aubert & Duval
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Priority to EP10785150A priority patent/EP2491158A2/fr
Priority to US13/500,826 priority patent/US20130037183A1/en
Publication of WO2011048334A2 publication Critical patent/WO2011048334A2/fr
Publication of WO2011048334A3 publication Critical patent/WO2011048334A3/fr

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a thermal stress relaxation treatment and conformation tooling for performing this relaxation heat treatment.
  • the invention relates in particular to a heat treatment process for slender pieces or even more massive pieces but having large sectional variations of titanium alloy, particularly of the alpha-beta type, that is to say the microstructure of which room temperature of both the Alpha phase and the Beta phase.
  • a widespread alpha-beta alloy is especially the alloy known under the trade names TA6V or TA6V4 or T1-6 ⁇ I-4V.
  • Titanium alpha-beta alloys and especially TA6V type can make parts with a good compromise between strength and toughness, in addition to their low density and good corrosion resistance. Due to the mechanical properties that can be achieved, the TA6V type alloys are used in various fields of application, particularly in the aeronautical field to produce large parts such as spars of reactor poles, aircraft door or structural frame elements for aircraft.
  • the aforementioned large parts are typically either: slender pieces that is to say having a significant slenderness which is in particular such that the average length / thickness ratio or length / average diameter is greater than 10. Slender pieces of the type referred to can reach 5 meters in length for an average thickness of less than 100 mm, with or without section variation; is
  • more massive pieces but with important section differences, that is to say with section variations having section ratios greater than 2/1.
  • more massive part is meant a part whose dimensions (diameter, thickness, length %) are such that the diameter of the largest sphere may be inscribed in the volume of the room is greater than 150 mm.
  • Equivalent diameter greater than 150 mm.
  • they may be structural frame members whose maximum equivalent diameter can reach 250 mm.
  • thermomechanical processing and machining processes in order to obtain from titanium alloy billets large parts that must have high mechanical properties and meet precise dimensional tolerances.
  • the greater differences in cross-section between the part and the greater the heterogeneity of the cooling rates from one section to another (faster cooling rate at the core of a small section than at the core of a more massive section) and more stress concentrations to section variations are important.
  • thermomechanical transformation steps forging and / or stamping
  • This treatment is intended to improve the mechanical characteristics of the alloy and generally comprises maintaining the workpiece in a determined position (often by means of clamping tools).
  • This is a treatment called "Beta treatment”, that is to say above the temperature of beta transus.
  • This treatment allows to obtain a coarse grain structure, in particular to improve the characteristics of resistance to crack propagation.
  • this treatment which is also carried out before the machining operations, has the known disadvantage of deforming the part, either by creep, during the actual treatment above the beta transus or during cooling from this temperature.
  • the unbridled piece tends to re-deform under the effect of stored internal stresses.
  • the parts are generally deformed and differently from one part to another so that the parameters and reference machining must be adapted from one part to another to avoid to obtain a part that does not meet the final dimensional tolerances required.
  • the object of the invention is to overcome the above-mentioned drawbacks and to propose a method of stress relaxation heat treatment which makes it possible to obtain parts which respect the final dimensional tolerances. required and which have no residual internal stresses while achieving the prescribed mechanical properties.
  • a second object of the invention is to solve the new technical problem consisting in the provision of a conformation tooling enabling titanium alloy parts to conform, at a processing temperature, to a calibrated imprint and to cool it without generation of internal thermal stresses and without deformation, or with a minimum of stresses and deformation, that is to say significantly less than the stresses induced by a conventional stress relaxation treatment.
  • the invention also aims to solve the new technical problem consisting in providing a process for preparing a titanium alloy piece comprising a thermomechanical transformation step and machining but without it being necessary to implement at prior to a relaxation treatment step.
  • the invention firstly relates to a process for preparing a titanium alloy part, characterized in that the method comprises a heat treatment for relaxing the internal stresses of a titanium alloy part, for example having previously undergone one or more thermomechanical transformation steps, in particular causing internal stresses, the method being characterized in that the heat treatment comprises a maintenance at a temperature "Tl" higher than the temperature of beta transus (beta transition) called "Tbt And in that the piece is free to deform by creep.
  • the titanium alloy is of the alpha-beta type, and in particular of the TA6V type.
  • maintaining the temperature T1 is carried out for a time sufficient to allow the complete transformation of the microstructure of the alloy of a compact hexagonal structure to a cubic structure centered.
  • the temperature T1 is at least 5 ° C. higher than Tbt, and preferably at least 10 ° C. higher than Tbt, and still more preferably, the process comprises maintaining the temperature Tl for a period of time. 5 to 120 minutes, and preferably for 15 to 60 minutes, and preferably at a temperature of 1010 ° C to 1060 ° C especially for a TA6V type alloy.
  • a cooling with a cooling rate greater than 5 ° C./min, preferably greater than or equal to 10 ° C./min, preferably between 10 and 20 ° C./min, as for example air, preferably outside the treatment furnace.
  • the titanium alloy piece is arranged for the stress relaxation treatment in a conformation tool comprising one or more calibrated impressions for receiving a piece to be relaxed, said conformation tool being preferably made of at least one single or composite material whose thermal inertia is greater than that of the titanium, or of the titanium alloy used, and whose dimensional variations related to creep at the temperature Tl are almost non-existent (less than 2 mm in an arrow), or even zero.
  • the conformation tooling is made of concrete or composite concrete, preferably comprising curved stainless steel fibers whose distribution in the material is isotropic.
  • the invention also relates to a process for preparing a titanium alloy part comprising one or more blank machining steps prior to the heat stress relaxation treatment step which comprises a holding at a "Tl" temperature. greater than the temperature "Tbt".
  • the term "one or more roughing machining steps” machining to remove on at least one given surface of the workpiece at least 70% of material oversize.
  • finishing machining steps are implemented to obtain the final dimensional of the part and the final surface state required by removing the remaining thicknesses of less than 30. % relative to the starting thicknesses before machining step era.
  • the step or steps of machining blanks are implemented to treat almost all or all of the surfaces of the parts.
  • the roughing machining is carried out on a part which has not undergone any stress relaxation treatment, in particular by keeping it at a temperature below Tbt, and typically below 730.degree.
  • the workpiece is plated and shaped against at least one reference support.
  • the piece is plated and shaped against said reference support by plating against the reference support of one or more burrs formed around the workpiece and from an upstream stamping step.
  • the method may comprise one or more finishing machining steps of the titanium alloy part making it possible to treat one or more surfaces of the part to eliminate surface pollution, to obtain a determined roughness and reach the final dimensions of the piece.
  • the piece is a slender piece such as a reactor mast spar, a door frame member or an aircraft frame member.
  • the invention also relates to a shaping tool comprising a shaping zone comprising one or more calibrated impressions for creep shaping one or more slender pieces and / or with differences in important sections of titanium alloy, said shaping tool being consisting of at least one single or composite material the thermal inertia is greater than that of titanium or titanium alloy and whose dimensional variations related to creep at a temperature of 1060 ° C are almost non-existent or zero.
  • the tool is made of concrete and optionally further comprises curved stainless steel fibers isotropically distributed in the concrete.
  • the tooling is dimensioned such that the cooling rates are substantially constant from one slice, part tooling, to another.
  • the impression zone is calibrated to conform by creep a piece a slender piece having a slenderness greater than 10 and / or different sections whose sectional variation is greater than 2/1, and preferably for receiving a reactor mast spar, a door frame member or an aircraft frame member.
  • the titanium alloy is of alpha-beta type, and preferably is a TA6V alloy.
  • the impression comprises at least two bearing surfaces on which the piece to be relaxed can rest at least partially, preferably said bearing surfaces being arranged so that when one realizes a maintaining at a higher temperature Tl greater than the temperature Tbt of a titanium alloy part, said part can be positioned by creep with a greater, almost total or even total contact on the bearing surfaces, to correct the deformations such as camber defects or torsion related to a prior step of preparation of the part to be conformed, especially during a thermomechanical transformation, cooling, or machining.
  • the impression comprises a positioning abutment formed in each calibrated imprint, the other end of the impression being free, that is to say without abutment, to allow the part to deform freely by creep or comprises an abutment positioned taking into account creep and coefficient of thermal expansion of the part to be relaxed before and after relaxation heat treatment, in particular to allow free deformation by creep.
  • the imprint includes a visual cue for positioning the part in the calibrated imprint.
  • the invention therefore also relates to a process for preparing a titanium alloy part employing the tooling of the invention, and in particular as defined in any one of claims 17 to 25.
  • the invention relates to a thermal treatment method for relaxing the thermal stresses in a titanium alloy part having undergone one or more thermomechanical transformation steps, characterized in that the part is free to deform by creep and the heat treatment is carried out at a temperature above the beta transus temperature (beta transition) of the alloy to relax the stresses, ie above the point where the alpha phase completely disappears in favor of the Beta phase and where the microstructure is transformed in a centered cubic type structure.
  • the term "creep” is understood to mean the deformation of an induced part, during the maintenance at a temperature higher than that of beta transus, by the weight of the material itself or by exerting a constant stress on the part by applying a load on the latter.
  • the heat treatment according to the invention makes it possible at the same time to obtain a coarse grain structure in order to improve the characteristics of resistances to crack propagation and the relaxation of the internal stresses of thermal and crystallographic origins by leaving the piece free to deform without use of specific tools, such as flanges, which by external pressure on the part can constrain it in a predetermined form.
  • "Coarse structure” means a structure that typically has a quasi-isotropic grain structure less than about minus 3 ASTM with grain zones at minus 5 ASTM.
  • the alloy By heating the alloy to a temperature that is greater than the temperature of beta transus, the alloy undergoes an allotropic transformation where the alpha phase of compact hexagonal crystallographic structure is transformed into a cubic phase centered called phase Beta. During this transformation, the residual stresses, in particular appearing in the part during the preceding thermo-mechanical transformation steps, and which are of thermal and crystallographic origins are released. Moreover, in a centered cubic structure, the mobility of the dislocations is greater, which also favors the release of the internal stresses.
  • the piece is deposited in a calibrated imprint formed on a shaping tool supporting at least one part and during the heat treatment the part conforms by creep to the calibrated fingerprint.
  • the centered Cubic structure is conducive to creep of the part.
  • the heat treatment according to the invention and contrary to the practice is implemented by leaving the free room to deform by creep so that under the effect of its own weight or possibly by applying an additional load, the part can be deformed to fit perfectly the shape of a calibrated fingerprint made in the tooling supporting the piece and corresponding to the final shape of the required part.
  • the piece is allowed to deform freely by creep of so that the piece comes freely (without constraint) to marry an impression which is it calibrated .
  • the parts deforming by creep can be easily conformed to the calibrated fingerprint to take the shape of the final piece aimed while allowing to remove internal constraints and avoiding generating new ones.
  • the calibrated impressions can control the deformation of parts by creep.
  • the calibrated impressions are dimensioned so that the shape and dimensions of the part obtained after shaping are those of the final parts minus finishing machining.
  • the dimensions of the calibrated impression are determined by numerical simulation as a function of the shape of the final part to be obtained, kinetics of creep of titanium or of titanium alloy and taking into account the differential of expansion, in the vicinity of 1000 ° C, between the concrete and the titanium alloy considered.
  • the heat treatment temperature is maintained at 120 minutes above the temperature of beta transus + 5 ° C. and preferably between 15 and 60 minutes from 1010 ° C. to 1060 ° C., for example for an Alpha-2 alloy.
  • beta TA6V type as defined below, whose beta transus is included, depending on the exact composition of the alloy, between 980 and 1000 ° C.
  • the temperature and the treatment time depend on the exact composition of the alloy.
  • a common ⁇ + ⁇ alloy is, in particular, the abovementioned alloy known under the trade names TA6V or TA6V4 or else T1-6AI-4V, the composition of which, described as a percentage by weight relative to the total weight of the alloy, is typically the following:
  • the minimum treatment temperature is determined to allow the full allotropic transformation of a Compact Hexagonal microstructure to a Cubic Centered microstructure and to obtain a Beta grain mesostructure.
  • the maximum treatment temperature is in turn determined to avoid growth kinetics in coarse grains with in some areas of the microstructure an explosion of grain size that would be detrimental to the achievement of good mechanical properties such as resistance to corrosion. tensile failure and fatigue resistance ....
  • the duration of treatment depends on the massiveness of the piece. Indeed, the greater the equivalent diameter of the part is important and the longer the treatment time is important. Typically for a TA6V part whose equivalent diameter would be 15 to 30 mm, the treatment time is 20 to 40 minutes so as to allow the total dissolution of the beta phase in the part, the removal in the part of the constraints residual heat and to allow the room to flow and conform perfectly to the impression calibrated tooling. In another example: for a piece of equivalent diameter of 80 mm, the treatment time is about 1 hour.
  • the duration of treatment corresponds to the duration during which the heart of the part will be at temperature of thermal bearing.
  • the part is cooled from the treatment temperature according to the invention to room temperature at a speed greater than 5 ° C per minute and preferably greater than 10 ° C per minute.
  • the parts are typically air-cooled outside the treatment furnace.
  • the alloy will pass through the Alpha-beta transformation domain in which the Alpha phase reappears.
  • alpha-beta type alloys such as TA6V
  • the germination of the Alpha phase is essentially at the Beta grain boundaries (intergranular germination) in the form of lamellae initiated at beta grain boundaries (known as intergranular Widmanstatten morphology) and intragranular thick lamellae.
  • the Alpha phase appears with a morphology in intrafellular and intercrossed fine needles.
  • the fine needles intersect randomly so that the Alpha phase forms a network that opposes all new movements of dislocations thus avoiding the part to deform during cooling or when later it is mechanically stressed.
  • This morphology also gives the part better mechanical properties including tensile strength (Rm> 900 MPa), and gives good resistance to crack propagation because the crack propagation path is more tortuous and good tenacity.
  • the subject of the invention is a conformation tooling on which the parts to be conformed are deposited.
  • the tooling is characterized in that it is made of a material whose thermal inertia is greater than that of the titanium or titanium alloy used and which does not flow until temperatures close to 1060 ° C. Indeed, the inventors have found that with such a material it was possible to obtain rapid cooling of the room (more than 10 ° C per minute, eg in the open air) which is homogeneous inside the piece to obtain homogeneous microstructures of the alloy entangled thin pellets, and to avoid during cooling the occurrence of internal thermal stresses and uncontrolled deformation of the room during or after cooling.
  • the tool is made of concrete which may optionally contain curved stainless steel fibers and which have a greater coefficient of expansion than concrete. Such fibers make it possible to stiffen the structure of the tool (by contraction of the fibers) so as to prevent it from being deformed at high temperatures under the weight of the parts.
  • Refractory concrete is preferably used. Concrete may be a BRRFM type concrete with a thermal conductivity of approximately 3.5 Wm ⁇ .K “1 (Watt / (Kelvin Degree Meter)), a specific heat measured at 500 ° C of about 1000 J.kg-lK-1 (Joule / (Kilogram * Kelvin degree)) and a density of about 3000 kg / m3.
  • the tooling comprises calibrated impressions in each of which a part to be conformed is deposited to obtain after a heat treatment according to the first object the invention a piece of determined shape, shape of the piece minus the finishing machining, devoid of stress (thermal or crystallographic) internal residuals.
  • the third object of the invention is a method comprising, after thermomechanical transformation, firstly a heat treatment according to the first subject of the invention for relaxing the residual stresses and conforming the part to a predetermined shape and secondly a range of roughing machining characterized in that the machining range precedes said heat treatment range and in that during machining the workpiece is plated and shaped against a reference support.
  • the inventors have found that by virtue of the heat treatment according to the first object of the invention, it was possible to perform rough machining before the stress relaxation heat treatment in the room.
  • the practice is that the machining of blanks and finishes are performed after thermal relaxation treatments, under the temperature of beta transusts, for example at temperatures below 7300C, for machining a part having at least a minimum residual internal stresses so as to avoid cracking the part and it deforms during machining operations.
  • machining is performed after the last heat treatments to remove contaminated surface areas (eg surface oxidation) following heat treatments.
  • the practice is that the part is also the least deformed possible and in a constant determined form so that the reference and machining parameters are reproducible from one part to another and to allow to respect the required dimensional tolerances. for the final piece. It is known, during the steps preceding the machining of roughing, to try to avoid deforming the part by practicing slow cooling and, during the heat treatment phases, above the beta transus, aiming at obtaining the mechanical properties of the alloy to maintain the workpiece in a given shape by forcing it for example with the aid of clamping tools.
  • the cutting tools exert a significant pressure on the part which generate internal stresses. more especially when it comes to rough machining operations where the machining parameters are more restrictive for the part than finishing machining. Indeed, for the aforementioned types of parts and during rough machining operations, the depths of machining passes are generally greater than those made during finishing machining operations. In rough machining, feed rates are also faster than finishing machining. These additional constraints may increase the deformations of the part or cause premature cracking and / or rupture of the part, especially when it is subsequently subjected to thermo-mechanical constraints of operation.
  • the inventors have been able to observe that when the heat treatment makes it possible to effectively shape the part in a specific shape and makes it possible to reduce the internal stresses sufficiently so as to prevent the part from re-deforming after heat treatment or cracking prematurely during its use, it was not necessary before the heat treatment to carry out a specific management of the constraints. Therefore the inventors have been able to determine that it was possible to perform rough machining before the relaxation heat treatment according to the invention provided that it is possible to respect for each piece (or at least for the main surfaces of each piece). during the machining operations of blanks, a determined and constant dimensional from one part to another so that the parameters and reference machining are repeatable from one part to another and so as to be able to comply with dimensional tolerances required for the final part.
  • machining references are repeatable from one part to another, and so that
  • each workpiece can meet the final dimensional tolerances required.
  • the burr or burrs of the workpiece are pressed against the reference support (s) using flanges (mechanical or hydraulic) or any other tooling that makes it possible to apply a series of point pressures to pinch the embossing burrs against point supports. formed on the support (s). The position of the point supports thus determines the geometry of the part.
  • the burrs are not removed after the last stamping operation to provide pinching zones between the flanges and the reference supports, and so as to conform to the piece as mentioned above without impeding the machining operations that can be performed on both sides of the piece and burrs at one time, that is to say without having to deolidalize and reposition the part between two stages machining.
  • pinching the burrs of the part is avoided to mark / deteriorate the functional / useful surfaces of the room.
  • burrs are removed after the rough machining steps and preferably before the stress relaxation heat treatment. Burrs are removed for example by machining.
  • the parts are shaped according to a calibrated fingerprint formed in a conformation tool.
  • the heat treatment is followed by a range of finishing machining in which the machining parameters (depth of cut, cutting speed, feedrate ...) are determined so as not to generate stresses inside the workpiece. which could lead to premature deformation or cracking of the room. Finishing machining operations generate little stress in the interior of the room. The pass depths and feed rates are lower than during rough machining. After such finishing machining, it is not necessary to carry out a stress relaxation treatment. Furthermore, it is preferable to perform a finishing machining after the heat treatment according to the invention to obtain a good surface condition (roughness and hardness) and to eliminate the surface contaminations generated during the last heat treatment.
  • FIG. 1 is a logic diagram showing successive steps implementing a method according to the invention to obtain a titanium alloy part having the required mechanical properties and final dimensions.
  • FIG. 2 is a schematic 3-dimensional isometric view of the tooling according to the invention.
  • Figure 3 corresponds to the tool according to Figure 1 on which is arranged a door frame element to be processed in schematic form.
  • Figure 4 corresponds to the tool according to Figure 1 shown in a cross section and on which is disposed a plurality of door frame members.
  • Figure 5 shows two tools according to the invention on a movable floor output of a treatment furnace.
  • Figures 6a, 6b and 6c correspond to the tool according to Figure 1 shown in a longitudinal section through a calibration footprint.
  • FIG. 7 shows a part (71) which is pressed against one or more reference supports (715) by gripping its stamping burr (75).
  • the clamping means or flanges (710a-open position (A) and 710b closed position (B)) allow the piece (71) to be held by pinching against the reference support (715).
  • the stamping flanges (710b) exert a set of point pressures in the closed position (B).
  • the reference medium (s) (715) have two point supports.
  • the use of one or more reference media (715) generally depends on the size of the part.
  • the methods and tools according to the invention have been implemented to produce elements forming part of an aircraft door frame. These elements have a curved shape and slender as shown schematically in Figure 3 with an average thickness typically 25 mm, an equivalent diameter of 50 mm, a length of 4 meters and has a simple camber.
  • the method according to the invention is suitable for more complex piece shapes having for example several camber with possibly twisted surfaces.
  • thermomechanical treatment cf FIG. 1, block "b"
  • the burrs from the stamping are not removed following the last stamping step but preserved to provide pinching / clamping areas on a reference support during machining.
  • the preforms are deformed and contain internal stresses.
  • the preforms are prepared to undergo rough machining.
  • rough machining of the preforms are carried out within the scope of the invention before the stress relaxation and conformation heat treatment (FIG. 1, block “c” then "d”).
  • the preforms contain internal stresses resulting from the previous thermomechanical transformation steps, the inventors have been able to note that after a succession of standard transformation steps for this type of part, the internal stresses were sufficiently weak to avoid damaging the preforms or risk premature failure of the preforms during rough machining operations.
  • the preforms (71) are pressed via their embossing burr (75) against several reference supports (715) using flanges (710a, 10b) (see FIG. 7). Each burr (75) is clamped between flanges (710b, B closed position) and reference carriers (715) with sufficient force to conform the preforms (71) to a specific geometry.
  • the fact of pinching the burrs (75) and not directly each preform (71) allows to conform the latter without marking the functional surfaces of the preform (71) and without hindering the movements of the cutting tools during the actual machining. This conformation makes it possible to preserve a constant geometry from one preform to another so that the machining parameters and references are repeatable from one preform to another and from one set of preforms to another to respect the dimensional tolerances. required on the final part.
  • the preforms (71) are released from the flanges (710a, open position A) and relax to take up a deformed shape (see FIG. 6a and 6b).
  • the machined preforms (20, 320, 420, 620) are then prepared to undergo the heat stress relaxation and conformation treatment according to the first subject of the invention (FIG. 1, block "d”).
  • the machined preforms (20, 320, 420, 620) are deposited (see FIGS. 2, 3 and 4) in impressions calibrated (15, 315, 415, 615) formed in conformation tooling (10, 310, 410, 610).
  • the calibrated impressions (15, 315, 415, 615) comprise determined surfaces (317, 318, 417, 418, 617) which correspond to the shapes of the final door frame element to be obtained. In the present example and as can be seen in FIG.
  • each calibrated imprint (415) has two main bearing surfaces (417, 418) on which each machined preform (420) rests at least partially (because the part is deformed at this stage cf Figures 6a and 6b).
  • each machined preform (420) rests at least partially (because the part is deformed at this stage cf Figures 6a and 6b).
  • the tool is made of concrete composite material in which are embedded curved steel fibers that reinforce the tooling at high temperatures.
  • This tooling makes it possible, as previously indicated, to carry out a rapid and homogeneous cooling of the machined-treated preforms making it possible to obtain homogeneous microstructures of the alloy in entangled fine needles conferring improved mechanical properties and making it possible to avoid, during cooling, the appearance of internal thermal stresses and uncontrolled deformations of the part during or after cooling.
  • the tooling comprises a positioning stopper formed in each calibrated cavity.
  • the other end of the cavity is free, that is to say without stop, to allow the part to deform freely by creep.
  • a visual cue on the tooling may also be sufficient to position the preforms on the tooling for heat treatment.
  • the tooling is dimensioned so that the cooling rates are substantially constant regardless of the section (or slice), part tooling, considered.
  • the thicknesses of the concrete tooling are thus dimensioned by taking into account the variations in the thickness of the part and the ratio of the coefficients of thermal diffusion of the part relative to the tooling. It is easy to understand that when the zone of the part under consideration is thick, the corresponding thickness of the tooling under this zone is rather small compared to the average thickness of the tooling and when the zone of the part considered is thin the thickness The corresponding tooling in this area is rather large compared to the average thickness of the tooling.
  • the conformation tooling on which the machined preforms rest may for example comprise a dozen impressions.
  • the conformation tooling (510) is placed with the preforms to be treated in a heat treatment chamber (550).
  • the shaping tool (510) can be placed on a movable floor (530) with one or more other shaping tools (510) (see Figure 5 showing 2 shaping tools).
  • the machined preforms (620) presented significant deformations, in particular torsions and camber defects, with deviations "J” with respect to the calibrated form (615). several millimeters (5 to 30 mm depending on the preforms) in certain areas of the main bearing surfaces (617a, b).
  • the preforms (620) have been free-flowing under their own weight to take the form of the calibrated impressions (615) and thus rest on the main bearing surfaces (617c) (see Figure 6c).
  • the alloy undergoes an allotropic transformation where the alpha phase of compact hexagonal crystallographic structure is transformed into a cubic phase centered called phase Beta.
  • the residual stresses in particular appearing in the part during the preceding thermo-mechanical transformation steps, and which are of thermal and crystallographic origins are released.
  • the mobility of the dislocations is greater, which also favors the release of the internal stresses.
  • the preforms were then cooled in the air outside the treatment furnace at a cooling rate of between 10 and 30 ° C / min.
  • the cooling rates inside the preforms have been homogeneous, notably thanks to the use of concrete composite tooling.
  • the homogeneous cooling of the machined preforms obtained in particular thanks to the material used for the tooling makes it possible to avoid the generation of internal thermal stresses and to avoid deformations of the preforms during cooling or later when the door frame members are subjected to thermomechanical stress of use.
  • An advantage of the concrete is also its coefficient of thermal expansion close to that of titanium allowing calibrated impressions to have dimensional variations due to thermal dilations, for example at 1060 ° C, which are close to those of titanium or alloy parts of titanium according to the invention. Thus, the dimensions of the preforms obtained after treatment are better controlled.
  • the concrete used to produce the tool according to the invention preferably has a coefficient of thermal expansion of between approximately 3.5 and 7 * 10 6 ° K ⁇ 'whereas that of titanium is between approximately 8 and 11 * 10 ⁇ 6 ° K "1 for a range of T ° between 100 ° C and 1100 ° C.
  • the heat treatment associated with the shape of the calibrated cavities (15, 315, 415, 615), which in this case comprises two main bearing surfaces (317, 318, 417, 418, 617) that intersect, has made it possible to correct the defects torsion and camber (it is preferable to have at least two bearing surfaces inclined relative to each other to correct torsional defects).
  • the deviations measured with respect to the dimensions of the target part were less than 4 mm or even less than 2 mm.
  • the preforms thus obtained after treatment according to the invention was therefore almost free of deformations, thus making it possible to respect the final dimensional tolerances required.
  • the resulting pieces are removed from the concrete shaping tool and placed on the finishing machining tool.
  • the preforms undergo machining of finishes to obtain the final shape of the door frame elements. Because the machining parameters (depth of cut, cutting speeds and feed rates) during the finishing are very restrictive for the part, it is not necessary to carry out a new stress relieving treatment.

Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation d'une pièce en alliage de titane, comprenant un traitement thermique pour relaxer les contraintes internes de la pièce, le traitement thermique comprenant un maintien à une température « T1 » supérieure à la température de beta transus (transition beta), le dite « Tbt » et la pièce étant libre de se déformer par fluage. L'invention concerne également un outillage pour mettre en œuvre ce procédé.

Description

Traitement thermique de relaxation
L'invention concerne un traitement thermique de relaxation des contraintes et un outillage de conformation pour réaliser ce traitement thermique de relaxation.
L'invention a trait en particulier à un procédé de traitement thermique pour des pièces élancées ou encore des pièces plus massives mais comportant des variations de sections importantes en alliage de titane notamment du type alpha-beta c'est à dire dont la microstructure présente à température ambiante à la fois de la phase Alpha et de la phase Beta. Un alliage alpha-beta répandu est notamment l'alliage connu sous les désignations commerciales TA6V ou TA6V4 ou encore T1-6ÂI-4V.
ETAT DE L'ART
Les alliages de Titane alpha-beta et notamment de type TA6V permettent de réaliser des pièces ayant un bon compromis entre résistance mécanique et ténacité, en plus de leur faible densité et de leur bonne résistance à la corrosion. Du fait des propriétés mécaniques qu'il est possible d'atteindre, les alliages de type TA6V sont utilisés dans divers domaines d'application notamment dans le domaine aéronautique pour réaliser des grandes pièces telle que des longerons de mâts réacteurs, des éléments de cadre de porte d'aéronefs ou encore des éléments de cadre de structure pour aéronefs.
Ces pièces sont typiquement obtenues par une succession d'étapes de forgeage et matriçage, traitements thermiques et usinage.
Les grandes pièces précitées sont typiquement soit: des pièces élancées c'est-à-dire possédant un élancement important qui est en particulier tel que le rapport longueur/épaisseur moyenne ou longueur/diamètre moyen est supérieur à 10. Des pièces élancées du type visé peuvent atteindre 5 mètres de longueur pour une épaisseur moyenne inférieure 100 mm, avec ou sans variation de section ; soit
des pièces plus massives mais avec des différences de sections importantes, c'est-à-dire avec des variations de section ayant des rapports de sections supérieurs à 2/1. Par pièce « plus massive » on entend une pièce dont les dimensions (diamètre, épaisseur, longueur...) sont telles que le diamètre de la plus grande sphère susceptible d'être inscrite dans le volume de la pièce est supérieur à 150 mm. On parle également de « diamètre équivalent » supérieur 150 mm. En particulier, il peut s'agir d'éléments de cadre de structure dont le diamètre équivalent maximal peut atteindre 250 mm.
Les géométries particulières de ces grandes pièces favorisent, après traitements thermomécaniques, opérations usinages et/ou traitements thermiques habituels, l'apparition de contraintes internes d'origine thermique ou cristallographique ainsi que des distorsions et déformations de la pièce.
II s'agit de réels problèmes auxquels sont confrontés les industriels mettant en œuvre des procédés de transformation thermomécaniques et d'usinage dans le but d'obtenir à partir de billettes en alliage titane des grandes pièces qui doivent présentées des propriétés mécaniques élevées et respecter des tolérances dimensionnelles précises.
En effet, plus la pièce est élancée et/ou comporte des différences de sections importantes et plus la pièce aura tendance à se déformer lors des étapes de refroidissements ou se fissurer et rompre prématurément dès qu'elle est sollicitée thermo-mécaniquement. Par exemple, plus la pièce comporte des différences de sections importantes et plus l'hétérogénéité des vitesses de refroidissement est importante d'une section à une autre (vitesse de refroidissement plus rapide au c ur d'une petite section qu'au cœur d'une section plus massive) et plus les concentrations de contraintes aux variations de section sont importantes.
Du fait de ces problèmes, il est aujourd'hui difficile pour ces types de pièces, de respecter les tolérances dimensionnelles précises et d'atteindre des propriétés mécaniques élevées. Pour pallier à ces inconvénients, il est connu de mettre en œuvre au- cours ou après les étapes de transformation thermo-mécaniques (forgeage et / ou matriçage) des refroidissements lents soit :
en faisant un refroidissement contrôlé en gardant les pièces dans un four, ou encore
en laissant les pièces refroidir dans des caissons isolés thermiquement.
Ces refroidissements lents, qui sont réalisés à des vitesses inférieures à 5°C / minute, sont coûteux en terme d'énergie utilisée et en terme d'immobilisation de matière et des outillages. Le fait de devoir refroidir lentement les pièces abaisse considérablement la productivité des installations.
Avant les opérations d'usinage d'ébauche et de finition et pour palier à ces inconvénients, il est également connu de mettre en œuvre un traitement thermique Alpha-Beta (inférieur à 730°C) dit de détensionnement, également connu sous le nom traitement de relaxation des contraintes, pour réduire les contraintes d'origine thermiques ou cristallographiques à l'intérieur de la pièce pour éviter que la pièce ne se déforme lors des opérations d'usinage.
Cependant, ce type de traitement de relaxation ne permet pas de supprimer l'ensemble des contraintes thermiques et peut parfois en introduire des nouvelles si le refroidissement est trop rapide et en fonction de l'importance des variations de section (différences de massivité) et/ou des différences de vitesse refroidissement à l'intérieur de la pièce.
Pour ces grandes pièces requérant d'importantes propriétés mécaniques (et spécifiquement en tolérance au dommage (c'est-à-dire en résistance en propagation de fissures)) il est connu de réaliser en plus un traitement thermique d'amélioration des caractéristiques mécaniques. Ce traitement a pour but d'améliorer les caractéristiques mécaniques de l'alliage et comprend généralement le maintien de la pièce dans une position déterminée (souvent grâce à des outils de bridage). Il s'agit d'un traitement dit « traitement Beta », c'est-à-dire au-dessus de la température de beta transus. Ce traitement permet d'obtenir une structure à gros grains permettant notamment d'améliorer les caractéristiques de résistances aux propagations de fissures. Cependant ce traitement également réalisé avant les opérations d'usinage a comme inconvénient connu de déformer la pièce soit, par fluage, lors du traitement proprement dit au-dessus du beta transus soit lors du refroidissement depuis cette température.
C'est donc pour éviter ce problème de déformation non-contrôlé lors du traitement beta que la pièce est contrainte par des brides ou tout autre outillage permettant d'empêcher des variations relatives des dimensions de la pièce. Mais une contrepartie conduit à l'introduction de nouvelles contraintes à l'intérieur de la pièce qui sont difficiles à supprimer même en mettant en œuvre après un traitement thermique Alpha-Beta de relaxation tel que celui précité. Une conséquence est que lors des opérations d'usinage ultérieures les contraintes internes qui se sont accumulées en plus de celles issues des traitement- thermomécaniques précédents peuvent se libérer et entraîner des déformations plus importantes de la pièce ou entraîner sous l'effet des pressions supplémentaires exercées par les outils de coupe des micro-fissurations ou déchirures de la pièce aux zones de la pièce les plus chargées en contraintes.
Par ailleurs et dès que les brides sont libérées après traitement thermique beta, la pièce débridée à tendance à se re-déformer sous l'effet des contraintes internes emmagasinées. Ainsi avant la mise en œuvre des opérations d'usinage les pièces sont généralement déformées et de manière différente d'une pièce à une autre de telle sorte que les paramètres et référentiels d'usinage doivent être adaptés d'une pièce à une autre pour éviter d'obtenir une pièce qui ne respecte pas les tolérances dimensionnelles finales requises.
BUTS DE L'INVENTION
L'invention a pour but de pallier aux inconvénients précités et de proposer un procédé de traitement thermique de relaxation des contraintes qui permet d'obtenir des pièces qui respectent les tolérances dimensionnelles finales requises et qui sont dépourvues de contraintes internes résiduelles tout en permettant d'atteindre les propriétés mécaniques prescrites.
Un deuxième but de l'invention est de résoudre le nouveau problème technique consistant en la fourniture d'un outillage de conformation permettant à des pièces en alliage de titane de se conformer, à température de traitement, à une empreinte calibrée et de la refroidir sans génération de contraintes thermiques internes et sans déformation, ou avec un minimum de contraintes et déformation, c'est-à-dire de manière significativement inférieure aux contraintes induites par un traitement classique de relaxation des contraintes.
L'invention a également pour but de résoudre le nouveau problème technique consistant en fournir un procédé de préparation d'une pièce d'alliage de titane comprenant une étape de transformation thermomécanique et un usinage mais sans qu'il soit nécessaire de mettre en œuvre au préalable une étape de traitement de relaxation.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour premier objet un procédé de préparation d'une pièce en alliage de titane, caractérisé en ce que le procédé comprend un traitement thermique pour relaxer les contraintes internes d'une pièce en alliage de titane, par exemple ayant préalablement subi une ou plusieurs étapes de transformation thermomécanique, notamment provoquant des contraintes internes, le procédé étant caractérisé en ce que le traitement thermique comprend un maintien à une température « Tl » supérieure à la température de beta transus (transition beta) dite « Tbt », et en ce que la pièce est libre de se déformer par fluage.
Selon une variante, l'alliage de titane est de type alpha-beta, et en particulier de type TA6V.
Avantageusement, le maintien à la température Tl est réalisé pendant un temps suffisant pour permettre la pleine transformation de la microstructure de l'alliage d'une structure hexagonale compacte à une structure cubique centrée. De préférence, la température Tl est supérieure d'au moins 5°C à Tbt, et de préférence supérieure d'au moins 10°C à Tbt, et encore de préférence, le procédé comprend un maintien à la température Tl pendant une durée de 5 à 120 minutes, et de préférence pendant 15 à 60 minutes, et de préférence à une température de 1010°C à 1060°C notamment pour un alliage de type TA6V.
Suite au maintien à la température Tl, on peut effectuer un refroidissement avec une vitesse de refroidissement supérieure à 5°C/min, de préférence supérieure ou égale à 10°C/mtn, de préférence comprise entre 10 et 20°C/min, comme par exemple à l'air, de préférence en dehors du four de traitement.
Selon une variante, la pièce en alliage de titane est disposée pour le traitement de relaxation des contraintes dans un outillage de conformation comprenant une ou plusieurs empreintes calibrées pour recevoir une pièce à relaxer, ledit outillage de conformation étant réalisé de préférence d'au moins un matériau unique ou composite dont l'inertie thermique est supérieure à celle du titane, ou de l'alliage de titane utilisé, et dont les variations dimensionnelles liées au fluage à la température Tl sont quasi inexistantes (inférieure à 2 mm en flèche), voire nulles.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'outillage de conformation est réalisé en béton ou en béton composite, de préférence comprenant des fibres courbes d'acier inoxydable dont la distribution dans le matériau est isotrope.
L'invention concerne aussi un procédé de préparation d'un pièce en alliage de titane comprenant une ou plusieurs étapes d'usinage d'ébauche préalablement à l'étape de traitement thermique de relaxation des contraintes qui comprend un maintien à une température « Tl » supérieure à la température « Tbt ».
Dans la présente demande, on entend par « une ou plusieurs étapes d'usinage d'ébauche » des usinages permettant de retirer sur une ou plusieurs surfaces données de la pièce au moins 70% de surépaisseurs de matière. De manière différente et telles que décrites ci-après, des étapes d'usinage de finition sont quant à elles mises en œuvre pour obtenir le dimensionnel final de la pièce et l'état de surface final requis en supprimant les surépaisseurs restantes soit moins de 30% par rapport aux surépaisseurs de départ avant lère étape d'usinage.
Avantageusement, la ou les étapes d'usinage d'ébauches sont mis en œuvre pour traiter la quasi-totalité voire la totalité des surfaces de la pièces. Avantageusement l'usinage d'ébauche est réalisé sur une pièce qui n'a pas subi de traitement de relaxation des contraintes, notamment par un maintien à une température inférieure à Tbt, et typiquement inférieure à 730°C.
Avantageusement, lors de l'étape d'usinage la pièce est plaquée et conformée contre au moins un support de référence.
Selon un mode de réalisation particulier, la pièce est plaquée et conformée contre ledit support de référence par plaquage contre le support de référence d'une ou plusieurs bavures formées autour de la pièce et issues d'une étape amont de matriçage.
Après traitement thermique de relaxation des contraintes selon l'invention, le procédé peut comprendre une ou plusieurs étapes d'usinage de finition de la pièce en alliage de titane permettant de traiter une ou plusieurs surfaces de la pièce pour éliminer les pollutions superficielles, obtenir une rugosité déterminées et atteindre les cotes finales de la pièce.
Typiquement, la pièce est une pièce élancée telle qu'un longeron de mât réacteur, un élément de cadre de porte ou un élément de cadre de structure pour aéronef.
L'invention concerne également, un outillage de conformation comprenant une zone de conformation comprenant une ou plusieurs empreintes calibrées pour conformer par fluage une ou plusieurs pièces élancées et/ou avec des différences de sections importantes d'alliage de titane , ledit outillage de conformation étant constitué d'au moins un matériau unique ou composite dont l'inertie thermique est supérieure à celte du titane ou de l'alliage de titane et dont les variations dimensionnelles liées au fluage à une température de 1060°C sont quasi inexistantes, voire nulles.
Selon un mode de réalisation, l'outillage est constitué de béton et comprend éventuellement en outre des fibres courbes d'acier inoxydable distribuées de manière isotrope dans le béton.
Avantageusement, l'outillage est dimensionné de telle sorte que les vitesses de refroidissement soient sensiblement constantes d'une tranche, pièce plus outillage, à une autre.
Selon un mode de réalisation préféré, la zone d'empreinte est calibrée pour conformer par fluage une pièce une pièce élancée présentant un élancement supérieur à 10 et/ou différentes sections dont la variation de section est supérieure à 2/1, et de préférence pour recevoir un longeron de mât réacteur, un élément de cadre de porte ou un élément de cadre de structure pour aéronef.
Avantageusement, l'alliage de titane est de type alpha-beta, et de préférence, est un alliage TA6V.
Selon un mode de réalisation particulier, l'empreinte comprend au moins deux surfaces d'appui sur lesquelles la pièce à relaxer peut reposer au moins partiellement, de préférence lesdites surfaces d'appui étant disposées de manière à ce que lorsque l'on réalise un maintien à une température supérieure Tl supérieure à la température Tbt d'une pièce en alliage de titane, ladite pièce peut se positionner par fluage avec un contact plus important, quasi-total, voire total, sur les surfaces d'appui, pour corriger les déformations telles que les défauts de cambrure ou de torsions liés à une étape préalable de préparation de la pièce à conformer, notamment lors d'une transformation thermomécanique, un refroidissement, ou un usinage.
Avantageusement, l'empreinte comprend une butée de positionnement formée dans chaque empreinte calibrée, l'autre extrémité de l'empreinte étant libre, c'est-à-dire sans butée, pour permettre à la pièce de se déformer librement par fluage ou comprend une butée positionnée en tenant compte du fluage et du coefficient de dilatation thermique de la pièce à relaxer avant et après traitement thermique de relaxation, notamment pour permettre une déformation libre par fluage.
De manière alternative l'empreinte comprend un repère visuel permettant de positionner la pièce dans l'empreinte calibrée.
L'invention concerne donc également un procédé de préparation d'un pièce en alliage de titane mettant en oeuvre l'outillage de l'invention, et notamment tel que défini à l'une quelconque des revendications 17 à 25. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de traitement thermique pour relaxer les contraintes thermiques dans une pièce en alliage de titane ayant subit une ou plusieurs étapes de transformation thermomécaniques caractérisé en ce que la pièce est libre de se déformer par fluage et le traitement thermique est réalisé à une température supérieure à la température de beta transus (transition beta) de l'alliage pour relaxer les contraintes c'est-à-dire au dessus du point où la phase Alpha disparaît complètement au profit de la phase Beta et où la microstructure est transformée en une structure de type cubique centrée.
Dans l'invention on entend par « fluage » la déformation d'une pièce induite, pendant le maintien à la température supérieure à celle de beta transus, par le poids propre du matériau ou encore en exerçant une contrainte constante sur la pièce en appliquant une charge sur cette dernière.
Le traitement thermique selon l'invention permet à la fois d'obtenir une structure à gros grains pour améliorer les caractéristiques de résistances aux propagations de fissures et la relaxation des contraintes internes d'origines thermiques et cristallographiques en laissant la pièce libre de se déformer sans utilisation d'outillages spécifiques, telles que des brides, qui par une pression extérieure sur la pièce permettent de contraindre celle-ci dans une forme prédéterminée. On entend par « structure à gros grains » une structure qui typiquement possède une structure de grains quasi-isotropes de taille inférieure à environ moins 3 ASTM avec des zones de grains à moins 5 ASTM.
Ainsi et grâce au traitement thermique (Τ7Ή) selon l'invention, toutes les contraintes internes résiduelles peuvent être supprimées de telle sorte qu'aucune gestion spécifique des contraintes n'est nécessaire avant le traitement thermique car les contraintes thermiques sont supprimées lors du traitement thermique selon l'invention. Il n'est, par exemple, pas nécessaire de veiller à supprimer ou limiter l'apparition de contraintes internes, de mettre en œuvre des refroidissements lents ou des traitements de relaxation spécifiques avant des opérations d'usinages (d'ébauche).
En chauffant l'alliage à une température qui est supérieure à la température de beta transus l'alliage subit une transformation allotropique où la phase Alpha de structure cristallographique hexagonale compacte se transforme en phase cubique centrée dite phase Beta. Lors de cette transformation les contraintes résiduelles, notamment apparues dans la pièce lors des précédentes étapes de transformation thermo-mécaniques, et qui sont d'origines thermiques et cristallographiques sont libérées. Par ailleurs, dans une structure cubique centrée , la mobilité des dislocations est plus grande ce qui favorise également la libération des contraintes internes.
Cette relaxation complète des contraintes contribuent à éviter lors du refroidissement, depuis la température de traitement selon l'invention, et ultérieurement lorsque la pièce est sollicitée mécaniquement et/ou thermiquement, des déformations de la pièce, des tapures ou l'apparition prématurée de fissures dans la pièces.
Pour la mise en œuvre du traitement thermique selon l'invention la pièce est déposée dans une empreinte calibrée formée sur un outillage de conformation supportant au moins une pièce et pendant le traitement thermique la pièce se conforme par fluage à l'empreinte calibrée.
En plus des avantages précités, la structure Cubique centrée est propice au fluage de la pièce. Ainsi, le traitement thermique selon l'invention et de manière contraire à la pratique, est mis en œuvre en laissant la pièce libre de se déformer par fluage de manière à ce que sous l'effet de son propre poids ou le cas échéant en appliquant une charge supplémentaire, la pièce puisse se déformer pour épouser parfaitement la forme d'une empreinte calibrée réalisée dans l'outillage supportant la pièce et correspondant à la forme finale de la pièce requise.
Comme on l'aura compris, au cours du traitement thermique selon l'invention on n'empêche pas la pièce de se déformer en la contraignant à l'aide par exemple de brides mais au contraire on laisse la pièce se déformer librement par fluage de telle sorte que la pièce vienne librement (sans contrainte) épouser une empreinte qui est elle calibrée.. Ainsi les pièces se déformant par fluage peuvent être facilement conformées à l'empreinte calibrée pour prendre la forme de la pièce finale visée tout en permettant de supprimer les contraintes internes et en évitant d'en générées des nouvelles.
Dans le cadre de l'invention les empreintes calibrées permettent de contrôler la déformation des pièces par fluage. Les empreintes calibrées sont dimensionnées pour que la forme et les dimensions de la pièce obtenue après conformation soient celles de la pièces finales moins les usinages de finition. Les dimensions de l'empreinte calibrée sont déterminée par simulation numérique en fonction de la forme de la pièce finale à obtenir, des cinétiques de fluage du titane ou de l'alliage de titane et en prenant en compte le différentiel de dilatation, au voisinage de 1000°C, entre le béton et l'alliage de titane considéré.
De manière avantageuse la température de traitement thermique est maintenue 5 à 120 minutes au-dessus de la température de beta transus + 5°C et de préférence entre 15 et 60 minutes de 1010°C à 1060°C par exemple pour un alliage Alpha-beta de type TA6V, tel que ci-après défini, dont le beta transus est compris, en fonction de la composition exacte de l'alliage, entre 980 et 1000°C. La température et la durée de traitement dépendent de la composition exacte de l'alliage. Un alliage α +β répandu est notamment l'alliage précité connu sous les désignations commerciales TA6V ou TA6V4 ou encore TÏ-6AI-4V dont la composition décrite en pourcentage en poids par rapport au poids total de l'alliage est typiquement la suivante :
- 5,50 <AI <6,75
3,50 < V <4,50
traces <Fe <0,30
traces <0 <0,20
traces <C <0,08
- traces <N <0,05
traces <H <0,0125
traces < Y < 0,005
le reste étant constitué de Titane et d'impuretés résultant de l'élaboration ;
et de préférence un alliage de titane conforme à l'AMS 4928 GR5 (Aero Material Spécification).
Par ailleurs, la température mini de traitement est déterminée pour permettre la pleine transformation allotropique d'une microstructure Hexagonale Compacte à une microstructure Cubique Centrée et pour obtenir une mésostructure en grains Beta. La température maximum de traitement est quant à elle déterminée pour éviter une cinétique de croissance en gros grains avec dans certaines zones de la microstructure une explosion de la taille des grains qui serait néfaste pour l'obtention de bonnes propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture en traction et résistance à la fatigue....
La durée de traitement dépend de la massivité de la pièce. En effet, plus le diamètre équivalent de la pièce est important et plus la durée de traitement est importante. Typiquement pour une pièce en TA6V dont le diamètre équivalent serait de 15 à 30 mm la durée de traitement est de 20 à 40 minutes de manière à permettre la totale mise en solution de la phase beta dans la pièce, la suppression dans la pièce des contraintes thermiques résiduelles et pour permettre à la pièce de fluer et de se conformer parfaitement à l'empreinte calibrée de l'outillage. Dans un autre exemple : pour une pièce de diamètre équivalent de 80 mm, la durée de traitement est d'environ 1 heure.
La durée de traitement correspond à la durée pendant laquelle le coeur de la pièce sera à température de palier thermique.
De préférence la pièce est refroidie depuis la température de traitement selon l'invention jusqu'à température ambiante à une vitesse supérieure à 5°C par minute et de préférence supérieure à 10°C par minutes. Les pièces sont typiquement refroidies à l'air en dehors du four de traitement.
Lors du refroidissement de la pièce traitée depuis une température supérieure au beta transus, l'alliage va traverser le domaine de transformation Alpha-beta au cours duquel la phase Alpha réapparaît. Les inventeurs ont pu constater que dans des alliages de type alpha-beta comme le TA6V et lorsque les vitesses de refroidissement sont trop lentes la germination de la phase Alpha se fait essentiellement aux joints de grains Beta (germination inter-granulaires) sous forme de lamelles initiées aux joints de grain beta (connue sous le nom de morphologie Widmanstatten inter-granulaire) et en lamelles épaisses intra- granulaires. A des vitesses de refroidissements supérieures à 5°C / minute, la phase Alpha apparaît avec une morphologie en aiguilles fines intra-granulaire et entrecroisées. Les aiguilles fines s'entrecroisent de manière aléatoire de telle sorte que la phase Alpha forme un réseau qui s'oppose à tous nouveaux mouvements de dislocations évitant ainsi à la pièce de se déformer lors de son refroidissement ou lorsque ultérieurement elle est sollicitée mécaniquement. Cette morphologie confère par ailleurs à la pièce de meilleures caractéristiques mécaniques notamment en résistance à la rupture en traction (Rm > 900 MPa), et confère une bonne tenue en propagation de fissures car le chemin de propagation des fissures est plus tortueux ainsi qu'une bonne ténacité.
L'invention a pour deuxième objet un outillage de conformation sur lequel les pièces à conformer sont déposées. L'outillage se caractérise en ce qu'il est réalisé en un matériau dont l'inertie thermique est supérieure à celle du titane ou de l'alliage de titane utilisé et qui ne flue pas jusqu'à des températures proches de 1060°C. En effet , les inventeurs ont pu constater que grâce à un tel matériau il était possible d'obtenir un refroidissement rapide de la pièce (plus de 10°C par minute, ex : à l'air libre) qui soit homogène à l'intérieur de la pièce permettant d'obtenir des microstructures homogène de l'alliage en aguilles fines enchevêtrées, et permettant d'éviter lors du refroidissement l'apparition de contraintes thermiques internes et des déformations non-maîtrisées de la pièce lors ou suite au refroidissement.
Dans un mode préféré selon l'invention l'outillage est en béton qui peut éventuellement contenir des fibres courbes en acier inoxydable et qui ont un coefficient de dilation plus important que le béton. De telles fibres permettent de rigidifier la structure de l'outillage (par contraction des fibres) de manière à éviter qu'il ne se déforme à haute températures sous le poids des pièces. On utilise de préférence un béton réfractaire. Le béton peut-être un béton du type BRRFM (Béton Réfractaire Renforcé de Fibres Métalliques) ayant une conductivité thermique d'environ 3,5 W.m^.K"1 (Watt / (Mètre * Degré Kelvin)), une chaleur massique mesurée à 500°C d'environ 1000 J.kg-l.K-1 (Joule / (Kilogramme * Degré Kelvin)) et une densité d'environ 3000 kg/m3.
L'outillage comporte des empreintes calibrées dans chacune desquelles une pièce à conformer est déposée pour obtenir après un traitement thermique selon le premier objet l'invention une pièce de forme déterminée, forme de la pièce moins les usinages de finition, dépourvue de contraintes (thermiques ou cristallographiques) internes résiduelles .
L'invention a pour troisième objet un procédé comprenant après transformation thermomécanique d'une part un traitement thermique conforme au premier objet de l'invention pour relaxer les contraintes résiduelles et conformer la pièce selon une forme prédéterminée et d'autre part une gamme d'usinage d'ébauche caractérisé en ce que la gamme d'usinage précède ladite gamme de traitement thermique et en ce que lors de l'usinage la pièce est plaquée et conformée contre un support de référence.
De manière contraire à la pratique courante, les inventeurs ont pu constater que grâce au traitement thermique selon le premier objet de l'invention, il était possible de réaliser l'usinage d'ébauche avant le traitement thermique de relaxation des contraintes dans la pièce. En effet, la pratique veut que les usinages d'ébauches et de finitions soient réalisés après les traitements thermiques de relaxation, sous la température de beta transus par exemple à des températures inférieures à 73Û°C, pour usiner une pièce ayant au départ un minimum de contraintes internes résiduelles de manière à éviter de fissurer la pièce et qu'elle se déforme lors des opérations usinage. Par ailleurs les usinages sont réalisés après les derniers traitements thermiques pour supprimer les zones de surface contaminées (ex : oxydations de surfaces) suite aux traitements thermiques. Avant usinage d'ébauche la pratique veut que la pièce soit également la moins déformée possible et dans une forme déterminée constante pour que les référentiels et paramètres d'usinage soient reproductibles d'une pièce à une autre et pour permettre de respecter les tolérances dimensionnelles requises pour la pièce finale. Il est connu, durant les étapes qui précèdent l'usinage d'ébauche, d'essayer d'éviter de déformer la pièce en pratiquant des refroidissements lents et, pendant les phases de traitement thermiques, au- dessus du beta transus, visant à obtenir les propriétés mécaniques de l'alliage de maintenir la pièce dans une forme déterminée en contraignant celle-ci par exemple à l'aide d'outils de bridage.
Cependant ces refroidissements lents et ces traitements de relaxation pratiqués jusqu'alors n'étaient pas suffisants pour éliminer toutes les contraintes internes dans la pièce et pour conformer la pièce selon une forme déterminée. Par ailleurs le fait de contraindre la pièce selon une forme déterminée lors de traitements thermiques réalisés au-dessus de la température de beta transus n'empêchait pas la pièce de se détendre et de se re-déformer une fois la pièce libérée de ses brides. Il arrive donc fréquemment qu'avant usinage la pièce à usiner contienne encore des contraintes internes et soit encore déformée malgré les précautions prises en amont. Il devient alors très difficile de respecter les tolérances dimensionnelles finales visées.
Par ailleurs, lors des opérations d'usinage, les outils de coupes exercent une pression importante sur la pièce qui génèrent des contraintes internes supplémentaires surtout lorsqull s'agit d'opérations d'usinage d'ébauche où les paramètres d'usinage sont plus contraignants pour la pièce qu'en usinage dit de finition. En effet, pour les types de pièces précitées et lors des opérations d'usinage d'ébauche, les profondeurs de passes d'usinage sont généralement supérieures à celles pratiquées lors des opérations d'usinage de finition. En usinage d'ébauche les vitesses d'avance sont également plus rapide qu'en usinage de finition. Ces contraintes supplémentaires peuvent augmenter les déformations de la pièce ou provoquer des fissurations et/ou ruptures prématurées de la pièce notamment lorsque celle-ci est soumise ultérieurement à des contraintes thermo-mécaniques de fonctionnement.
Après des usinages d'ébauches et de finitions, il était donc fréquent d'être obligé de réaliser un nouveau traitement thermique de relaxation des contraintes.
Les inventeurs ont pu constater que lorsque le traitement thermique permettait de conformer efficacement la pièce selon une forme déterminée et permettait de réduire suffisamment les contraintes internes de manière à éviter que la pièce ne se re-déforme après traitement thermique ou ne fissure prématurément au cours de son utilisation, il n'était pas nécessaire avant le traitement thermique de procéder à une gestion spécifique des contraintes. Par conséquent les inventeurs ont pu déterminer qu'il était possible de réaliser l'usinage d'ébauche avant le traitement thermique de relaxation selon l'invention à condition de pourvoir respecter pour chaque pièce (ou au moins pour les surfaces principales de chaque pièce) pendant les opérations d' usinages d'ébauches, un dimensionnel déterminé et constant d'une pièce à une autre de manière à ce que les paramètres et référentiels d'usinage soient répétables d'une pièce à une autre et de manière à pouvoir respecter les tolérances dimensionnels requises pour la pièce finale.
Ceci est obtenu selon l'invention en plaquant et conformant la pièce contre un support de référence. Plus précisément et comme représenté en figure 7 (vue schématique où les bavures de matriçage (5) sont volontairement exagérées pour la bonne compréhension), il s'agit de la ou des bavures formées autour de la pièce et issues de la dernière opération de matriçage qui sont pincées contre un ou plusieurs supports de référence pour permettre de conformer l'ensemble de la pièce. En effet en exerçant un ensemble de pressions ponctuelles sur les bavures, pour que les pièces soient plaquées et déformées contre le ou les supports de référence, on provoque indirectement une conformation de l'ensemble de la pièce selon une géométrie déterminée et constante d'une pièce à une autre de telle sorte que ;
les pièces soient toujours usinées dans une position et à partir d'une géométrie donnée,
- les références d'usinage soient répétables d'une pièce à une autre, et afin que
chaque pièce usinée puisse respecter les tolérances dimensionnelles finales requises.
La ou les bavures de la pièce sont plaquées contre le ou les supports de référence à l'aide de brides (mécaniques ou hydrauliques) ou tout autres outillages permettant d'appliquer une série de pressions ponctuelles pour pincer les bavures de matriçage contre des appuis ponctuels formés sur le ou les supports. La position des appuis ponctuels détermine donc la géométrie de la pièce.
De manière contraire à l'usage, dans le cadre de l'invention les bavures ne sont pas supprimées après la dernière opération de matriçage pour offrir des zones de pincement entre les brides et le/les supports de référence, et de manière à conformer la pièce comme précité sans gêner les opérations d'usinage qui peuvent être réalisées de part et d'autre de la pièce et des bavures en une seule fois, c'est-à-dire sans être obligé de désolidéraliser et repositionner la pièce entre deux étapes d'usinage. Par ailleurs, en pinçant les bavures de la pièce on évite de marquer/détériorer les surfaces fonctionnelles/utiles de la pièce.
A ce stade on précise qu'il est connu de l'art antérieur d'utiliser des brides et des outillages pour fixer et maintenir des pièces à usiner mais jusqu'à présent il n'était pas connu de plaquer et conformer ces pièces contre un ou plusieurs supports de référence en utilisant de surcroît les bavures de matriçage comme zone de pincement.
Les bavures sont supprimées après les étapes d'usinage d'ébauche et de préférence avant le traitement thermique de relaxation des contraintes. Les bavures sont supprimées par exemple par usinage.
Après usinage, la pièce renferme une quantité importante de contraintes internes qui proviennent :
des contraintes thermiques et cristallographiques résiduelles issues des étapes thermo-mécaniques et thermiques amonts,
- des contraintes dues au plaquage et la conformation (à température ambiante) de la pièce contre son support de référence lors de l'usinage, et
des contraintes introduites par les outils de coupe lors des opérations d'usinage proprement dites.
Du fait de ces contraintes et après usinage, lorsqu' on libère la pièce celle-ci se détend et se re-déforme. Cependant et grâce à l'efficacité du traitement thermique selon l'invention ces derniers défauts sont corrigés lors du traitement thermique selon l'invention qui permet à la pièce de retrouver une forme calibrée avec une réduction importante des contraintes internes pour que la pièce ne se re-déforme pas et ne fissure pas prématurément lors du refroidissement ou ultérieurement lorsqu'elle est soumise à des sollicitations thermo-mécaniques de fonctionnement.
Lors du traitement thermique de relaxation, les pièces sont conformées selon une empreinte calibrée formée dans un outillage de conformation.
Le traitement thermique est suivi d'une gamme d'usinage de finition dans laquelle les paramètres d'usinage (Profondeur de passe, vitesse de coupe, avance...) sont déterminés pour ne pas générer des contraintes à l'intérieur de la pièce qui pourraient entraîner des déformations ou des fissurations prématurées de la pièce. Les opérations d'usinage de finition génèrent peu de contraintes à l'intérieur de la pièce. Les profondeurs de passe et les vitesses d'avances sont plus faibles que lors des usinages d'ébauche. Après un tel usinage de finition, il n'est pas nécessaire de procéder à un traitement de relaxation des contraintes. Par ailleurs, il est préférable de procéder à un usinage de finition après le traitement thermique selon l'invention pour obtenir un bon état de surface (rugosité et dureté) et supprimer les contaminations de surface générées lors du dernier traitement thermique.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'homme de l'art suite à la lecture de la description explicative qui fait référence à des exemples et figures qui sont donnés seulement à titre d'illustration et qui ne sauraient en aucune façon limiter la portée de l'invention.
Les exemples et figures font partie intégrante de la présente invention et toute caractéristique apparaissant nouvelle par rapport à un état de la technique antérieure quelconque à partir de la description prise dans son ensemble, incluant les exemples et les figures, fait partie intégrante de l'invention dans sa fonction et dans sa généralité.
Ainsi, chaque exemple ou figure a une portée générale.
D'autre part, dans la description la température est exprimée en degré Celsius sauf indication contraire, et la pression est la pression atmosphérique, sauf indication contraire.
L'invention va maintenant être décrite plus en détails à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins ci-joints sur lesquels ; - La figure 1 est un logigramme montrant des étapes successives mettant en œuvre un procédé conforme à l'invention pour obtenir une pièce en alliage de Titane ayant les propriétés mécaniques et dimensions finales requises
La figure 2 est une vue isométrique 3 dimensions schématique de l'outillage selon l'invention
- La figure 3 correspond à l'outillage selon figure 1 sur lequel est disposé un élément de cadre de porte à traiter de forme schématisée. La figure 4 correspond à l'outillage selon figure 1 représenté selon une coupe transversale et sur lequel est disposé plusieurs éléments de cadre de porte.
La figure 5 représente deux outillages selon l'invention sur une sole mobile sortie d'un four de traitement.
Les figures 6a, 6b et 6c correspondent à l'outillage selon la figure 1 représenté selon une coupe longitudinale passant par une empreinte de calibration.
La figure 7 représente une pièce (71) qui est plaquée et conformée contre un ou plusieurs support de référence (715) par pincement de sa bavure de matriçage (75). Les moyens de bridage ou brides (710a -position ouverte (A) et 710b position fermée (B)) permettent de maintenir la pièce (71) par pincement contre le/les supports de référence (715). Les brides de matriçage (710b) exercent un ensemble de pressions ponctuelles en position fermée (B). On note que le ou les supports de référence (715) présentent deux appuis ponctuels. L'utilisation d'un ou de plusieurs supports de référence (715) dépend généralement de la taille de la pièce.
Les procédés et outillage selon l'invention ont été mis en œuvre pour réaliser des éléments formant partie d'un cadre de porte pour aéronef. Ces éléments ont une forme courbe et élancée telle que schématisée en figure 3 avec une épaisseur moyenne typiquement de 25 mm, un diamètre équivalent de 50 mm, une longueur de 4 mètres et présente une cambrure simple. Nous faisons remarquer à ce stade que le procédé selon l'invention est adapté à des formes de pièces plus complexes présentant par exemple plusieurs cambrures avec éventuellement des surfaces vrillées.
Les éléments ont été réalisés à partir de lingots en alliage de Titane TA6V élaboré de manière standard (Figure 1 , étape « a » du logigramme). La composition exacte du TA6V élaboré était la suivante :
Al : 6,15
V : 3,82
Fe ; 0,17
0 ; 0,15
C : 0,05
N ; 0,02
H :0,005
le reste étant constitué de Titane et d'impuretés résultant de l'élaboration.
Les lingots ont ensuite été transformés par un traitement thermomécanique (cf figure 1 , bloc « b ») connu :
> Séquences de refoulement-étirage entre 1100 et 1160°C, suivi de
> Séquences de refoulement-étirage à 1050°C environ, suivi de
> Corroyage Alpha-Beta de 4 (réduction de section et augmentation de la hauteur H à 4*H) ente 900 et 980°C.
Après forgeage les billettes obtenues ont été débitées pour obtenir des billettes plus petites de volume déterminé correspondant au volume de la préforme de l'élément de cadre de porte avant usinage.
Ensuite les billettes de section circulaires on été forgées pour obtenir des carrés qui ont été matricés en une ou plusieurs étapes pour obtenir des demi- produits ayant déjà une forme proche des pièces finies, ci-après désigné la « préforme» de l'élément de cadre de porte.
De manière contraire à ce qui était connu les bavures issues du matriçage ne sont pas supprimées suite à la dernière étape de matriçage mais préservées pour offrir des zones de pincement / bridage sur un support de référence lors de l'usinage.
A ce stade et du aux différentes étapes de transformation thermomécaniques, les préformes sont déformées, et renferment des contraintes internes. Conformément à l'invention les préformes sont préparées pour subir les usinages d'ébauche. De manière contraire à la pratique, les usinages d'ébauche des préformes sont réalisés dans le cadre de l'invention avant le traitement thermique de relaxation des contraintes et de conformation (FIG 1, bloc « c » puis « d »). En effet, bien que les préformes renferment des contraintes internes résultant des étapes précédentes de transformation thermo-mécaniques, les inventeurs ont pu constater, qu'après une succession d'étapes de transformation standards pour ce type de pièces, les contraintes internes étaient suffisamment faibles pour ne pas provoquer d'endommagement des préformes ni risquer de ruptures prématurées des préformes au cours des opérations d'usinage d'ébauche.
Pendant les opérations d'usinage, les préformes (71) sont plaquées via leur bavure de matriçage (75) contre plusieurs supports de référence (715) à l'aide de brides (710a, 10b) (cf figure 7). Chaque bavure (75) est pincée entre des brides (710b, B position fermée) et des supports de référence (715) avec une force suffisante pour conformer les préformes (71) selon une géométrie déterminée. Le fait de pincer les bavures (75) et pas directement chaque préforme (71) permet de conformer cette dernière sans marquer les surfaces fonctionnelles de la préforme (71) et sans gêner les déplacements des outils de coupe lors des usinages proprement dits. Cette conformation permet de préserver une géométrie constante d'une préforme à une autre de telle sorte que les paramètres et référentiels d'usinage soient répétables d'une préforme à une autre et d'une série de préformes à une autre pour respecter les tolérances dimensionnelles requises sur la pièce finale.
Une fois les usinages d'ébauche réalisés les préformes (71) sont libérées des brides (710a, position A- ouverte) et se détendent pour reprendre une forme déformée (voir jeu « J » figures 6a et 6b).
Les préformes usinées (20, 320, 420, 620) sont ensuite préparées pour subir le traitement thermique de relaxation des contraintes et de conformation selon le premier objet de l'invention (FIG 1, bloc « d »). Les préformes usinées (20, 320, 420, 620) sont déposées (cf figures 2, 3 et 4) dans des empreintes calibrées (15, 315, 415, 615) formées dans un outillage de conformation (10, 310, 410, 610). Les empreintes calibrées (15, 315, 415, 615) comprennent des surfaces (317, 318, 417, 418, 617) déterminées qui correspondent aux formes de l'élément de cadre de porte final à obtenir. Dans le présent exemple et comme on peut le constater sur la figure 4, chaque empreinte calibrée (415) présente 2 surfaces principales d'appui (417, 418) sur lesquelles chaque préforme usinée (420) repose au moins partiellement (car pièce déformée à ce stade cf figures 6a et 6b). En fonction de la géométrie plus ou moins complexe de la pièce à conformer il peut y avoir une ou plusieurs surfaces principales d'appui.
Conformément au deuxième objet selon l'invention l'outillage est réalisé en matériau composite en béton dans lequel sont noyées des fibres courbes en acier qui renforcent l'outillage aux hautes températures. Cet outillage permet comme précédemment indiqué de réaliser un refroidissement rapide et homogène des préformes usinées-traitées permettant d'obtenir des microstructures homogène de l'alliage en aiguilles fines enchevêtrées conférant des propriétés mécanique améliorées et permettant d'éviter lors du refroidissement l'apparition de contraintes thermiques internes et des déformations non-maîtrisées de la pièce lors ou suite au refroidissement.
Pour faciliter le positionnement longitudinal des préformes usinées, l'outillage comprend une butée de positionnement formée dans chaque empreinte calibré. L'autre extrémité de l'empreinte est libre , c'est-à-dire sans butée, pour permettre à la pièce de se déformer librement par fluage. Un repère visuel sur l'outillage peut également suffire pour positionner les préformes sur l'outillage pour traitement thermique.
L'outillage est dimensionné de telle sorte que les vitesses de refroidissement soient sensiblement constantes quelque soit la section (ou tranche), pièce plus outillage, considérée. Les épaisseurs de l'outillage béton sont ainsi dimensionnées en tenant compte des variations d'épaisseur de la pièce et du rapport des coefficients de diffusion thermique de la pièce par rapport à l'outillage. On comprend aisément que lorsque la zone de la pièce considérée est épaisse l'épaisseur correspondante de l'outillage sous cette zone est plutôt faible comparée à l'épaisseur moyenne de l'outillage et lorsque la zone de la pièce considérée est mince l'épaisseur correspondante de l'outillage sous cette zone est plutôt importante comparée à l'épaisseur moyenne de l'outillage.
L'outillage de conformation sur lequel les préformes usinées reposent peut par exemple comprendre une dizaine d'empreintes. L'outillage de conformation (510) est placé avec les préformes à traiter dans une enceinte de traitement thermique (550). L'outillage de conformation (510) peut être placé sur une sole mobile (530) avec un ou plusieurs autres outillages de conformation (510) (cf figure 5 montrant 2 outillages de conformation).
Le traitement thermique de relaxation (figure 1 bloc « d ») et de conformation a été effectué comme suit :
Montée en température à une vitesse d'environ 5°C/ min (plus on monte vite et moins on besoin de rester longtemps en beta transus pour relaxer de la pièce pour éviter le grossissement de grains dans des zones qui ont refroidi plus lentement) jusqu'à un palier thermique compris entre 1020-1030°C. Ces températures sont au-dessus du beta transus qui pour le TA6V est dans le cas présent d'environ 1000°C en fonction de la composition exacte. Les préformes usinées ont été maintenues à température du palier pendant 25 minutes.
Comme représenté en figure 6a et 6b avant traitement thermique selon de l'invention, les préformes-usinées (620) présentaient des déformations importantes, notamment torsions et défauts de cambrure, avec des écarts « J » par rapport à la forme calibrée (615) de plusieurs millimètres (5 à 30 mm selon les préformes ) en certaines zones des surfaces principales d'appuis (617a, b).
Lors du traitement thermique au-dessus de beta transus, les préformes (620) ont fiuées librement sous l'effet de leur propre poids pour prendre la forme des empreintes calibrées (615) et ainsi reposer sur les surfaces principales d'appuis (617c) (cf Figure 6c). Par ailleurs, à des températures supérieures à la température de beta transus, l'alliage subit une transformation allotropique où la phase Alpha de structure cristallographique hexagonale compacte se transforme en phase cubique centrée dite phase Beta. Lors de cette transformation les contraintes résiduelles, notamment apparues dans la pièce lors des précédentes étapes de transformation thermo-mécaniques, et qui sont d'origines thermiques et cristallographiques sont libérées. Par ailleurs, dans une structure cubique centrée, la mobilité des dislocations est plus grande ce qui favorise également la libération des contraintes internes. Ces relaxations des contraintes permettent d'éviter lors du refroidissement et à des températures de service plus basses : des nouvelles déformations de la pièce, des ta pures ou des fissures dans la pièces.
Les préformes ont ensuite été refroidies à l'air en dehors du four de traitement soit à une vitesse de refroidissement comprise entre 10 et 30°C / min.
Les vitesses de refroidissement à l'intérieur des préformes ont été homogènes notamment grâce à l'utilisation de l'outillage composite en béton.
Ainsi le refroidissement rapide des préformes usinées depuis des températures supérieures au beta transus a permis de faire apparaître, dans le domaine Alpha-beta, la phase Alpha avec une morphologie en aiguilles fines intra-granulaire et entrecroisées. Les aiguilles entrecroisées de manière aléatoire s'opposent à tout nouveau mouvement de dislocations et s'opposent également aux propagations de fissures évitant ainsi à la pièce de se déformer lors de son refroidissement ou à température ambiante et conférant par ailleurs à la pièce de meilleures caractéristiques mécaniques notamment de résistance mécanique, bonne tenue en propagation de fissures car le chemin de propagation des fissures est plus tortueux ainsi qu'une bonne ténacité.
Le refroidissement homogène des préformes-usinées obtenu notamment grâce au matériau utilisé pour l'outillage permet d'éviter la génération de contraintes thermiques internes et d'éviter des déformations des préformes lors du refroidissement ou ultérieurement lorsque les éléments de cadre de porte sont soumis à des contraintes thermo-mécaniques d'usage.
Un avantage du béton est également son coefficient de dilatation thermique proche de celui du titane permettant aux empreintes calibrées d'avoir des variations dimensionnelles dues aux dilations thermiques, par exemple à 1060°C , qui soient proches de celles des pièces en titane ou en alliage de titane selon l'invention. Ainsi, les dimensions des préformes obtenues après traitement sont mieux maîtrisées.
Le béton utilisé pour réaliser l'outillage selon l'invention a de préférence un coefficient de dilatation thermique compris entre environ 3,5 et 7 * 10 6 °K~' alors que celui du titane est compris entre environ 8 et 11 * 10~6 °K"1 pour une plage de T° comprise entre 100°C et 1100°C.
Le traitement thermique associés à la forme des empreintes calibrées (15, 315, 415, 615) comprenant dans le cas présent 2 surfaces principales d'appui (317, 318, 417, 418, 617) qui se coupent a permis de corriger les défauts de torsion et de cambrure (il est préférable d'avoir au moins deux surfaces d'appui inclinées l'une par rapport à l'autre pour corriger les défauts de torsion). Après le traitement thermique selon l'invention et refroidissement jusqu'à température ambiante, les écarts mesurés par rapport aux dimensions de la pièce visée étaient inférieurs à 4 mm voire inférieure à 2 mm. Les préformes ainsi obtenues après traitement selon l'invention était donc quasi exempt de déformations permettant ainsi de respecter les tolérances dimensionnelles finales requises.
Les pièces obtenues sont retirées de l'outillage de conformation en béton et placées sur l'outillage d'usinage de finition.
Ainsi, après traitement thermique les préformes subissent des usinages de finitions pour obtenir la forme finale des éléments de cadre de porte. Parce que les paramètres d'usinage (profondeurs de passe, vitesses de coupe et vitesses d'avances) lors de la finition sont très peu contraignants pour la pièce, il n'est pas nécessaire de procéder à un nouveau traitement de relaxation des contraintes .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d'une pièce en alliage de titane, caractérisé en ce que le procédé comprend un traitement thermique pour relaxer les contraintes internes d'une pièce en alliage de titane ayant préalablement subi au moins une étape de transformation thermomécanique, le procédé étant caractérisé en ce que le traitement thermique comprend un maintien à une température « Tl » supérieure à la température de beta transus (transition beta), le dite « Tbt » et en ce que la pièce est libre de se déformer par fluage.
2. Procédé, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'alliage de titane est de type alpha-beta.
3. Procédé, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le maintien à la température Tl est réalisé pendant un temps suffisant pour permettre la pleine transformation dans l'alliage d'une microstructure hexagonale compacte à une microstructure cubique centrée.
4. Procédé, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température Tl est supérieure d'au moins 5°C à Tbt, et de préférence supérieure d'au moins 10°C à Tbt.
5. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un maintien à la température Tl pendant une durée de 5 à 120 minutes, et de préférence pendant 15 à 60 minutes, et de préférence à une température de 1010°C à 1060°C.
6. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que suite au maintien à la température Tl, on effectue un refroidissement avec une vitesse de refroidissement supérieure à 5°C/min, de préférence supérieure ou égale à 10°C/min, de préférence comprise entre 10 et 30°C/min comme par exemple à l'air, de préférence en dehors du four de traitement.
7. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce en alliage de titane est disposée pour le traitement de relaxation des contraintes dans un outillage de conformation comprenant une ou plusieurs empreintes calibrées pour recevoir une pièce à relaxer.
8. Procédé, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'outillage de conformation est réalisé de préférence en au moins un matériau unique ou composite dont l'inertie thermique est supérieure à celle du titane ou de l'alliage de titane et dont les variations dimensionnelles liées au fluage à la température Tl sont quasi inexistantes, voire nulle.
9. Procédé, selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'outillage de conformation est réalisé en béton ou en béton composite, de préférence comprenant des fibres courbes d'acier inoxydable avec une distribution isotrope.
10. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend préalablement à l'étape de traitement thermique de relaxation des contraintes au moins une étape d'usinage d'ébauche.
11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la ou les étapes d'usinage d'ébauche sont mis en œuvre pour traiter la quasi-totalité voire la totalité des surfaces de la pièces.
12. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que lors de l'étape d'usinage d'ébauche la pièce est plaquée et conformée contre au moins un support de référence.
13. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la pièce est plaquée et conformée contre ledit support de référence par plaquage contre le support de référence d'une ou plusieurs bavures formées autour de la pièce et issues d'une étape amont de matriçage.
14. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend après traitement thermique de relaxation des contraintes une ou plusieurs étapes d'usinage de finition de la pièce d'alliage de titane.
15. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane est un alliage de titane TA6V.
16. Procédé, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce est une pièce élancée telle qu'un longeron de mât réacteur, ou un élément de cadre de porte ou de cadre de structure pour aéronef.
17. Outillage de conformation comprenant une zone de conformation comprenant une ou plusieurs empreintes calibrées pour conformer par fluage une ou plusieurs pièces élancées et/ou avec des différences de sections importantes d'alliage de titane, ledit outillage de conformation étant constitué d'au moins un matériau unique ou composite dont l'inertie thermique est supérieure à celle du titane ou de l'alliage de titane et dont les variations dimensionnelles liées au fluage à une température de 1060°C sont quasi inexistantes.
18. Outillage selon la revendication 17, caractérisé ce qu'il est constitué de béton et comprend éventuellement en outre des fibres courbes d'acier inoxydable distribuées de manière isotropes dans le béton.
19. Outillage selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce qu'il est dimensionné de telle sorte que les vitesses de refroidissement soient sensiblement constantes d'une tranche, pièce plus outillage, à une autre.
20. Outillage, selon la revendication 17, 18 ou 19, caractérisé en ce la zone d'empreinte est calibrée pour conformer par fluage une pièce élancée présentant un élancement supérieur à 10 et/ou différentes sections dont la variation de section est supérieure à 2/1, et de préférence pour recevoir un longeron de mât réacteur, ou un élément de cadre de porte pour aéronef.
21. Outillage, selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que l'alliage de titane est de type à phase alpha-beta.
22. Outillage, selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que l'alliage de titane est un alliage TA6V.
23. Outillage, selon l'une quelconque des revendications 17 à 22, caractérisé en ce que l'empreinte comprend au moins deux surfaces d'appui sur lesquelles la pièce à relaxer peut reposer au moins partiellement, de préférence lesdites surfaces d'appui étant disposées de manière à ce que lorsque l'on réalise un maintien à une température supérieure Tl supérieure à la température Tbt d'une pièce en alliage de titane, ladite pièce peut se positionner par fluage avec un contact plus important, quasi-total, voire total, sur les surfaces d'appui, et de préférence pour corriger les déformations tels que les défauts de torsions et/ou de cambrures liés à une étape préalable de préparation de la pièce à conformer, notamment lors d'une transformation thermomécanique, un refroidissement, ou un usinage.
24. Outillage, selon l'une quelconque des revendications 17 à 23, caractérisé en ce que l'empreinte comprend une butée de positionnement formée dans chaque empreinte calibrée, l'autre extrémité de l'empreinte étant libre pour permettre à la pièce de se déformer librement par fluage ou comprend une butée positionnée en tenant compte du coefficient de dilatation thermique de la pièce à relaxer avant et après traitement thermique de relaxation, notamment pour permettre une déformation libre par fluage.
25. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, mettant en œuvre l'outillage tel que défini à l'une quelconque des revendications 17 à 24.
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