Brevet FR2012121A1 — publié le 19700313

-1- 2012121 La présente invention concerne des alliages à base de titane et, en particulier, des alliages qui conviennent pour la fabrication de faniip et de feuillard. On connaît depuis quelques années un alliage de titane pourfcflle de résistance mécanique moyenne, cet 5 alliage étant un alliage binaire dont la teneur nominale en cuivre est de 2,5 %. La ductilité de l'alliage est satisfaisante pour des opérations de formage, et un soudage peut être effectué sans nuire à la ductilité. L'alliage peut acquérir, par trempe à précipitation, une résistance à la rupture d'environ 80 kg/mm dans certaines con-10 ditions, mais un tel niveau de résistance mécanique ne convient pas pour certaines applications, et il n'existe aucun autre alliage en feuflleayant une combinaison convenable de propriétés. La Demanderesse vient de découvrir que la composition de l'alliage mentionné ci-dessus peut être modifiée, de manière qu'on 15 puisse obtenir une plus grande résistance mécanique sans nuire aux autres propriétés, en particulier à l'aptitude au formage. Conformément à l'invention, un alliage à base de titane contient de 1,5 à 3,5 % en poids de cuivre et jusqu'à 5 %, au. total, d'un ou plusieurs des éléments suivants, à savoir : de 0,25 à 5,0 % 20 d'aluminium, de 0,25 à 5,0 % de zirconium, de 0,25 à 5,0 % d'étain, de 0,1 à 1,0 % de silicium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. On a pié paré des alliages ternaires correspondant aux gammes données ci-dessus et contenant les quantités suivantes des éléments 25 Titane - 2,5 % de cuivre +0,5, 1,0, 1,5, 2,0 et 3,0 % d1aluminium Titane - 2,5 % de cuivre +1,0, 3,0 et 5,0% de zirconium Titane - 2,5 % de cuivre + 1,0, 3,0 et 5,0 d'étain Titane - 2,5 % de cuivre + 0,25 et 0,5 %. de silicium 30 On a préparé des alliages quaternaires contenant les éléments suivants : Titane - 2,5 % de cuivre + 0,5, 1,0 et 1,5 % d'aluminium + 1,0 % de zirconium Titane - 2,5 % de cuivre +0,5, 1,0 et 1,5% d'aluminium + 35 0,25'% de silicium D'autres alliages qui ont été préparés contiennent les éléments suivants : BAD ORIGINAL 69 22240 -2- 2012121 Titane - 2,5 % de cuivre - 1,0 % de zirconium - 0,25 % de silicium + 0,5, 1,0 et 1,5 % d'aluminium Tous ces alliages possèdent une meilleure résistance mécanique, comparativement à l'alliage déjà connu, sans que la duc-5 tilité et l'aptitude au soudage soient notablement affectées. L'expérience a démontré que la meilleure gamme de compositions est comprise dans les limites suivantes,.en ce qui concerne l'aluminium, le zirconium et le silicium : Aluminium 1,5 à 3,0 ^ 10 Zirconium 1,0 à 3,0 % Silicium 0,25 à 0,5 % et ces gammes constituent les gammes préférées. L'addition des éléments mentionnés ici à l'alliage à base de titane contenant 2,5 % de cuivre s'est manifestée par la suppres-15 sion de l'augmentation de dureté pendant le vieillissement, en cas de dépassement des quantités spécifiées. Une addition d'étain jusqu'à 5 i° supprime complètement la trempe à précipitation dans l'alliage de titane à 2,5 i° de cuivre. Dans les limites spécifiées, on peut obtenir des améliorations des propriétés de tension et, 20 dans les compositions préférées, on obtient l'augmentation maximale. Des alliages à base de titane contiennent, normalement, du carbone, de l'oxygène et de l'azote comme impuretés et, dans les alliages conformes à l'invention, les teneurs en carboné et en azote sont maintenues à des taux normaux d'impuretés mais de l'oxy-25 gène peut être avantageusement présent, jusqu'à une teneur de 0,5 car la résistance à la traction est ainsi augmentée de 4,8 à 6,4 kg/mm , sans affecter notablement la ductilité. L'oxygène est normalement présent dans la gamme de 0,13 à 0,18 Les alliages préférés, ayant une bonne combinaison de pro-30 priétés, sont ceux qui présentent les compositions suivantes : Titane - 2,5 % de cuivre - 1,5 % d'aluminium Titane - 2,5 % de cuivre - 2,0 % d'aluminium Titane - 2,5 % de cuivre - 1,0 % d'aluminium - 1,0 % de zirconium - 0,25 % de silicium 35 Des alliages conformes à l'invention sont susceptibles d'une trempe à précipitation après traitement de mise en solution à une température de 775°C ou plus, suivant la composition. Les alliages bad original 69 22240 -3- 2012121 préférés sont .soumis à un traitement de mise en solution entre 810 et 820°C, et la température de vieillissement est comprise .dans la gamme de 425 à 450°C. Dans des essais de traitement thermique effectués sur des 5 alliages préférés, la trempe maximale s'obtient par vieillissement à 425°C. la plus forte réponse au vieillissement s'observe sur un alliage à base de. titane contenant 2,5 % de cuivre et 1,5 % d'aluminium, dont la résistance mécanique augmente de 71,20 kg/mm^ à environ 91,2 kg/mm^, soit une augmentation de 20 kg/mm^. Au con-10 traire, l'alliage à base de titane contenant 2,5 % de cuivre et 2,0 d'aluminium, qui a une résistance mécanique après traitement f p de mise en solution supérieure de 7,2 kg/mm à celle de l'alliage à 1,5 io d'aluminium, ne subit qu'une augmentation de résistance 2 2 2 mécanique de 13,6 kg/mm par passage de 78,6 kg/mm à 92,2 kg/mm . 15 l'alliage à 5 éléments a une résistance mécanique après traitement 2 de mise en solution de 75,4 kg/mm et montre une réponse au vieil- 2 lissement de quelque 17,6 kg/mm.. Bien que la réduction des valeurs par unité de surface soit manifestement plus faible, après vieillissement, les trois alliages possèdent tous une forte ductilité 20 au taux maximal de résistance mécanique. Les caractéristiques de trempe à précipitation des trois alliages, à 425°C, sont très différentes. La résistance à la traction de l'alliage à base de titane contenant 2,5 % de cuivre et 1,5 i° d'aluminium tend à croître progressivement avec le temps de 25 vieillissement et s"accomplie d'une croissance continue d'un pré- 0 cipité cohérent qui a une longueur d'environ 600 A au bout de 192 heures à 425°C. L'alliage à base de titane contenant 2,5 % de cuivre et 2,0 io d'aluminium ne présente pas d'accroissement de résistance 30 mécanique à un degré quelconque pendant les 72 premières heures à 425°C, puis la résistance mécanique semble augmenter notablement pendant les 48 heures suivantes ^^e nombre de noyaux formés dans cet alliage semble être plus faible/pour l'alliage à base de titane contenant 2,5 % de cuivre et 1,5 % d'aluminium, mais leur vitesse 35 de croissance semble être bien plus rapide, les précipités ayant O une longueur de l'ordre de 800 A au bout de 192 heures à 425°C. 69 22240 -4- 2012121 En contraste avec les alliages ternaires de titane, cuivre et aluminium, un alliage à base de titane contenant 2,5 % de cuivre, 1,0 % d'aluminium, 1,0 % de zirconium et 0,25 % de silicium subit une trempe plus rapide pendant les 48 premières heures 5 à 425°C, mais sa résistance à la traction n'augmente pas ensuite dans une large mesure. La trempe notable pendant les premiers stades du vieillissement est associée avec une formation intense de noyaux qui ne s'accroissent que lentement lors du vieillissement O ultérieur, une longueur de précipité de 200 A étant enregistrée 10 au bout de 192 heures à 425°C. Le fait d'élever la température de vieillissement de 10°C, c'est-à-dire de la porter à 435°C, exerce un effet prononcé sur la formation des noyaux et sur la croissance du précipité dans les trois alliages, et par conséquent, sur la réponse au vieillisse-15 ment. On remarque des précipités non cohérents, vieillis au-delà 0 de la normale, d'une longueur de 1500 et 2500 A, dans les alliages à 1,5 io et 2,0 io d'aluminium, après 96 heures à cette température. Au contraire, les précipités des alliages contenant du zirconium o et du silicium sont cohérents et ont une longueur de 650 A. 20 Après 96 heures à 450°C, les précipités des trois alliages manquent de cohérence et sont plus grands, que ceux formés après une période de temps analogue, à 435°C. Les alliages conformes à l'invention sont destinés à la formation de "feuill-ç, et il est désirable que la feuille possèdê""3.es-pro-25 priétés satisfaisantes de flexion et une bonne soudabilité, en plus d'une bonne résistance à la traction. Les alliages préférés possèdent une telle combinaison de propriétés. Une récapitulation des propriétés après traitement de mise en solution à 820°C dans le cas d'alliages ternaires, ou à 810°C 30 dans d'autres cas, et après trempe à précipitation, est donnée sur le tableau I. Les essais sont conduits sur une barre laminée pour faciliter la fabrication d'éprouvettes. Des essais conduits sur'une feuille ;, y compris une feuille, aôudée^ont illustrés sur le tableau II. L'essai de limite de flexion indique le rayon minimal, exprimé 35 par un multiple de l'épaisseur de laJfèuiHe sous lequel l'éprou-vette peut être fléchie à froid sans se fissurer. 69 22240 -5- 2012124 A titre de comparaison, il y a lieu de mentionner que l'alliage à base de titane contenant 2,5 i° de cuivre, lorsqu'il est traité thermiquement jusqu'à une résistance à la traction d'envi-ron 80 kg/mm , peut être fléchi suivant un rayon de trois fois son 5 épaisseur. Les propriétés de flexion des alliages préférés sont compatibles avec cette valeur, en ce qui concerne leur plus grande, résistance à la traction. Les propriétés d'une feuille, traitéç/frar mise en solution et soudée, et d'une feudUe/èoudée et traitée par vieillissement, mise 10 à l'épreuve avec la soudure disposée transversalement à l'axe de 1'éprouvette, sont très satisfaisantes, et aucun signe de fragilité n'apparaît dans la région de la soudure. Les alliages préférés ont une bien plus grande résistance à la traction que l'alliage à base de titane contenant 2,5 de 15 cuivre, et on a observé des augmentations de résistance mécanique p allant jusqu'à 16 kg/mm . Avec des teneurs en oxygène s'élevant jusqu'à 0,25 %, on peut obtenir des alliages en feuille ayant.une ré- >■ \ 2 sistance mécanique égale et supérieure à 96 kg/mm.. Une ductilité convenable est maintenue dans ces alliages et, 20 avec les résistances maximales à la traction, on peut s'attendre à obtenir des valeurs d'allongement d'environ 17 à 18 %. Les alliages peuvent être façonnés à froid. Lorsqu'ils sont traités thermiquement, les alliages conformes p à l'invention dépassent 88 kg/mm , c'est-à-dire 10 % de plus que O 25 la valeur nominale de 80 kg/mm de l'alliage binaire et, en fonction de la composition, ils peuvent atteindre une résistance mécanique supérieure de 20 %. Des essais de résistance à la traction à température élevée montrent une bien plus forte résistance mécanique à 300°C et 400°C 30 après traitement thermique, comparativement à l'alliage binaire. CAD ORIGINAL o -o TAB L EAU ' Propriétés après traitement de mise en solution Propriétés après vieillissement à 425°C Alliage Déformation pqi^-manente pour un allongement de 0,1 % kg/mm^ Résistance à la traction kg/mm^ Allongement , %_ 4 l/So I ■ I | Réduction de surface % Déformation permanente pour un allongement de 0,1 % kg/mm^ Résistance à la traction kg/mm** Allongement % 4l/sô Réduction de surface ' * Durée de vieillissement Echantillon d'essai Ti - 2,5 Cu -1,5 Al 52,5 71,2 26 31 75,0 90,7 20 27 192 h barre laminée Ti - 2,5 Cu -2,0 Al 57,1 78,6 21 34 75,8 91,2 20 32 144 h barre laminée Ti - 2,5 Cu -1,0 Al - 1,0 Zr 0,25 Si 56,5 75,4 19 40 70,9 93,3 23 31 192 h barre laminée Ti - 2,5 Cu 49,9 68,0 29 47 64,0 82,4 24 40 24 h à 400° 8 heures à C et 475°C CEI > a o 5 o z £ hO O K> .—i K> TA B L E A U II Composition nominale, % en poids r ' i i Procédé de traitement ' thermique Matériau d'essai 'Déformation permanente pour un allongement de 0,1 fo kg/mm^ Déformation permanente pour un allongement de 0,2 % kg/mm^ Résistance à la traction kg/mm^ % d'allongement sur 1,27 cm Hayon limite de courbure, t Ti - 2,5 Cu 1,5 Al Traitement de mise en solution pendant une demi-heure à 820°C avec refroidissement à l'air Feuille-mère 46,9 50,2 63,4 20 3,0 Traitement de mise en solution et vieillissement pendant 168 h à 425 °c feuille-mère 84,3 20 Traitement de mise en solution et soudage Soudure transversale à. l'axe de l'échantillon d'essai 55,7 57,4 66,2 * 12* 3,0 Traitement de mise en solution et soudage Soudure parallèle à l'axe de l'échantillon* d'essai, — — 68,0 25 1 Traitement de mise en solution, soudage et vieillissement pendant 168 h à 425°C Soudure transversale à l'axe de l'échantillon d'essai 81,4 16 TABLEAU II (suite A) Composition nominale, $ en poids Procédé de traitement thermique Matériau d'essai Déformation permanente pour m allongement de 0,1 % kg/mm^ Déformation permanente pour un allongement de 0,2 % kg/mm^ Résistance à la traction kg/i MDr % d'allongement sur 1,27 cm Rayon limite de cour-hure, t Ti - 2,5 Cu 2 Al Traitement de mise en solution pendant une demi-heure à 820°C, avec refroidissement à l'air Traitement de mise en solution et soudage Traitement de mise en solution et soudage Traitement de mise en solution, soudage et vieillissement pendant 168 h à 425°C Feuille-mère Soudure transversale à l'axe de l'échantillon d'essai Soudure parallèle . à l'axe de l'é- i chantillon d'essai Soudure transversale à l'axe de l'échantillon d'essai . 59,4 57,6 59,5 58,9 70,4 68,6 72,3 83,4 20 10* 28 ** 2,35 2,6 Ti - 2,5 Cu 1 Al 1 Zr 0,25 Si Traitement de mise en solution une demi-heure à 805°C, avec refroidissement à l'air Feuille-mère 59,4 59,8 71,0 26 2,5 TABLEAU II (suite B> O •O Composition nominale, fo en poids Procédé de traitement thermique Déformation Déformation Matériau d'essai ipermanente pour un allongement de 0,1 $ kg/mm^ permanente pour un allongement de 0,2 # kg/mm^ Résistance à la traction kg/i mur- % d'allongement sur 1,27 cm Rayon limite de courbure, t Ti - 2,5 Cu 1 Al 1 Zr 0,25 Si Traitement de mise en solution et vieillissement pendant 168 h à 425°C Traitement de mise en solution et soudage Traitement de mise en solution et soudage Traitement de mise en solution, soudage et vieillissement pendant 168 h à-425°C Feuille-mère Soudure transversale à l'axe de l'échantillon d'essai Soudure parallèle à l'axe de l'échantillon d'essai Soudure transversale à l'axe de l'échantillon d'essai 56,5 42,7 88,2 71,0 74,7 89,3 18 10* 26 14 3,2 * Rupture de la feuille-mère à une extrémité de la longueur libre. ^ ** Rupture au-delà de la longueur libre. - vO 1! Tous les essais sont effectués transversalement à la direction de laminage , de la feuille finale, excepté les essais dans lesquels la soudure est __a parallèle à la longueur libre. $0 69, 22240 -1 o- 20 î2121 - REVENDICATIONS 1 - Alliage à base de titane, caractérisé par le fait qu'il . contient, en poids, de 1,5 à 3,5 $ de cuivre et jusqu'à 5 $, au. total, d ' un, ou plusieurs des éléments suivants. : 0,25 à 5,0 % 5 d'aluminium, 0,25 à 5,0 i de zirconium, 0,25 à 5,0 i d'étain, 0,1 à. 1,0 io de silicium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 2 - Alliage à base de titane suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient de 1,5 à 3,5 i° de cuivre, 10 de 1,5 à 3,0 i° d'aluminium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 3 - Alliage à base de titane suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient, en poids, de 1,5 à 3,5 i> de cuivre, de 1,5 à 3,0 i> d'aluminium, de 1,0 à 3,0 io de zirconium, 15 de 0,25 à 0,5 i de silicium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 4 - Alliage à base de titane suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,. caractérisé par le fait qu'il contient de 0,13 à 0,25 i d'oxygène. 20 5 - Alliage à base de titane suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il contient 2,5 i» de cuivre, 1,5 i d'aluminium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 6 - Alliage à base de titane suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il contient 2,5 i° de cuivre, 25 2,0 i d'aluminium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 7 - Alliage à base de titane suivant l'une des revendications 1 et 3, caractérisé par le fait qu'il contient 2,5 i° de cuivre, 1,0 i d'aluminium, 1,0 de zirconium, 0,25 i° de silicium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 30 8 - Alliage à base de titane suivant l'une des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait qu'il est traité par mise en solution entre 810 et 820°C et soumis à un vieillissement entre 425 et 450°C. 9 - Feuille d'alliage à base de titane, caractérisée par le 35 fait qu'elle contient de 1,5 à 3,5 i de cuivre, de 1,5 à 3,0 io d'aluminium, de 1,0 à 3,0 io de zirconium, 0,25 i de silicium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 69 22240 -11- 2012121 10 - Feuille d'alliage à base de titane suivant la revendication 9, caractérisée par le fait qu'elle est traitée par mise en solution entre 810 et 820°C et par vieillissement entre 425 et 450°C, et elle possède une résistance à la traction d'au moins O 5 88 kg/mm . 11 - Feuille d'alliage à base de titane, caractérisée par le fait qu'elle contient de 1,5 à 3,5 $> de cuivre, de 1,5 à 3,0 fo d'aluminium, le reste étant du titane, excepté les impuretés. 12 - Feuille d'alliage à base de titane suivant la revendi-10 cation 11, caractérisée par le fait qu'elle est traitée par mise en solution entre 810 et 820°C et par vieillissement entre 425 et 450°C, et elle possède une résistance à la traction d'au moins '■ p 88 kg/mm .