Brevet FR2002054A1 — publié le 19691003

La présente invention concerne des alliages à base-de titane ayant un bonne résistance nécanique et une bonne résistance à la fragilisation lorsqu'ils sont exposés à une tan-- pérature élevée. Des alliages contenant noiiiinalenent 6 % d'aluminium, 5 de zirconium, environ ,2 % de siliciull, avec ou sans carbone, et jusqu'à environ L % de tungstène, ont été propos-és pour les utiliser dans des moteurs d'avions dans lesquels il règne des températures de fonctionnement s'élevant jusqu'à 520 C. La stabilité des dinensions dans de telles conditi-ons est de la plus haute inportance, et les tolérances sont extrêmement faibles. Les alliages sus-mentionnes présentent une excellente résistance à haute température, mais l'expérience a montré qu'ils ne sont pas toujours suffisamment résistants à la fragilisation lorsqu'ils sont exposes a de hautes terrpératures. La "fragilisation ", dans le présent contexte, signifie une dininution de la ductilité ncsurée à la température allbiante avant et après l'exposition å dos te-pératures élevées. Dans les domaines d'application auxquels ces alliages sont destinés, la résistance mécanique relativeent grande doit être conbinée avec une ductilité à la température conrespondant à une réduction de surface d'au n oins 15 %, et un allongement d'au soins 10 %, mesurés sur une longueur de calibrage de 4 So. En outre, ces valeurs doivent etre conservées après exposition aux temperatures drutilisation, étant donné qu'en pratique, les alliages utilisés dans des élenents de mo- tueurs d'avions sont soumis à des variations therniques compri- ses entre la température ambiante normale et des températures de fonctionnement d'au moins 500 C.En même temps, une très grande résistance au fluage est nécossaire, et, du fait qu'une conformation entre en ligne de compte, la forgeabilité doit être bonne pour éviter toute possibilité de fornation de criques. Un soudage est fréquemment utilisé au cours de la fabrication de pièces faits avec de tels alliages, et il ne doit pas se produire de fragilisation par suite du chauffage local aux températures de soudage, et un degré élevé de soudabilité est nécessaire.Les alliages de titane destinés aux moteurs d'avions d'avant-garde actuellement nécessaires peuvent satisfaire a un critère des propriétés de fluage correspondant a une déformation de 0,1 96 au bout d'une exposition de 100 heures a une contrainte de 3140 kg-force/cm a une tompérature de 520 C, La présente invention concerne des alliages ayant une bonne stabilité à une exposition prolongée à des terlpératures élevés, tout en étant sounis à une contrainte. Suivant la présente invention, un alliage à base de titane comprend de 5 à 3,5 96 d'aluninium, de 3 à 7 96 de zirconium, de 0,25 à 0,7 % de nolybdène, de 0,05 à 0,4 96 de siliciun, le reste étant du titane, hormis les impuretés. La présente invention est fondée sur la découverte suivant laquelle une grande résistance au fluage, la forgeabilité et la soudabilité sont eombinées, en l'absence d'une fragilisation, lors d'une exposition à des températures élevées, lorsque le molybkome est présent dans une gamnt très limitée, Si la quantité maxinale indiquee du molybdène est dépassée, il se produit une diminution marquée et importante de la ductilit6 après une exposition à des températures élevées, ce qui réduit cette propriété au-dessous du niveau acceptable pour une utilisation dans des applications à hautes tenpératures dans l'aviation. Au-dessous du niveau minimal indiqué de la teneur en nolybdène, la quantité de l'élémont stabilisateur de la phase bêta est insuffisante pour qu'il soit efficace. La composition préférée contient 6 % d'aluminium, 5 % de zirconiuii, 0,5 96 de molybdène, et 0,25 96 de siliciun, le reste étant du titane. Cet alliage a une résistance à la traction à la température ambiante supérieure à 9420 kg-force/cm et une ductilité supérieure 2 celle correspondant à un allongenent de 10 % et une réduction de la surface de 15 %, lorsqu'on la 11e- sure sur une longueur de calibrage de 4 So et présente une densité légèrement inférieure à celle du titane pur. Afin d'obtenir une résistance mécanique convenable à la température ambiante, la présence d'un élément stabilisateur de la phase bêta est nécessaire, A ce sujet, le molybdène est particulièrement efficace, mais il est également nuisible pour la ductilité après exposition à des tompératures élevées. Cet inconvénient est compensé en linitant la teneur en nolbdène à uen gamle comprise entre 0,25 et 0,7 %. Au-dessou de cette limite inférieure, l'effet de renforcement est insuffisant pour produire les niveaux de résistance mécanique nécessaires dans ce type d'alliage, et le dépassement de la linite supérieure provoque une dininution de la ductilité au-dessous de celle qui peut être utiliséo dans des moteurs d'avions. Le Tableu I ci-après indique l'effet de la teneur en mo- lybdène sur la stabilité d'un alliage contenant du titane, 6 % d'aluminium, 5 % de zirconiuii, et C,25 % de silicium après une exposition à 520 C. On a effectué des essais sur une tige de 61,3 cm traitée à chaud pendant une demi-heure à 1050 C et trempée à l'huile, puis en la maintenant pendant 24 heures à 5000G. et en la refroidissant à l'air. Les éprouvettes usinées à partir de cette tige ont été exposées pendant 300 heures à 520 C., et on les a essayées ensuite quant à leur résistance à la traction à la température ambiante.Comme on peut le voir sur le Tableau I, un alliage contondant 0,46 96 de molybdène ne présente pas de diminution de ductilité après l'exposition, tandis qu'un alliage contenant 0,97 96 devient très fragile et, après l'exposition, il présente une ductilité inférieure au niveau acceptable pour des moteurs d'avions. Les valeurs- obtenues avec l'alliage contenant 0,77 % de molybdène après exposition à la température d'essai indiquent que la ductilité est à la limite ontre l'acceptabilité et la non acceptabilité et la limite supérieure de la teneur en molybdène est, par conséquent, inférieure à 0,77 96. La linite supérieure maximale de sécurité pour le molybdène est par conséquent de 0,7 96. Des linites assez étroites de la teneur en aluminium sont nécessaires pour waintenir la stabllité à la température élevée et la linite supérieure de la teneur en aluminiun ne doit pas dépasser 6,5 %. Le Tableau II montre l'effet de l'exposition d'alliages contenant du ,8 à 6,5 96 d'aluiiîniun pendant 300 heures à 52000. sous une contrainte de fluage de 3140 kg-forceX cm2 et pendant 1000 heures à 45000. sous une contrainte de 3925 kg-force/cm. Des alliages contenant de 5,8 à 6,5 5o d'aluminium ne présentent pas une diminution inportante de la ductilité après de telles expositions, nais un alliage contenant 6,5 % d'aluminium pcrd sa ductilité, et par conséquent, est à la linite de l'acceptabilité. La présence d'au moins 5,5 % d'aluminium est nécessaire pour conserver los autres propriétés de l'alliage. Le zirconiun est un st bilisateur de la phase alpha qui est un élément de renforcement efficace et la teneur préférée 5 % a des offets optima avec la quantité préférée de 6 % aluminium. Comme on le sait, le silicium anéliore la résistance au fluage d'alliages du type presque alpha conne ceux de llinven- tion. La Demanderesse a constaté que la teneur en silicium.ne doit cependant pas dépasser un niveau particulier si l'on veut conserver unebonne stabilité, Le Tableau III montre que l'augmentation dela teneur en silicium de 0,27 % à 0,39/0,40 % produit une certaine diminution de la ductilité après exposition au fluage pendant 100 heures à 5200C. sous une contrainte de 3140 kg-force/cm2. On obtint la combinaison optimale de la résistance mécani- que, de la ductilité et de la résistance au fluage dans les alliages de l'invention en traitant thermiquement l'alliage dans la phase bêta à 1050 C., en procédant ensuite à une trempe à l'huile uu un refroidissement à l'air et à un vieillissement. Par suite, il est possible de travailler l'alliage à chaud en phase bêta, et on peut le réaliser à des températures de 105011000C. A une telle température, l'alliage est relativement nou et peut être forgé sans difficulté. Au contraire, il est nécessaire de travailler a chaud et de traiter thermiquement la plupart des alliages de titane au-dessous de la transition-alpha + bêta/bêta et ceci impose une limitation à la forgeabilité de tels alliages. Les alliages de l'invention sont soudables par fusion sans diminution importante de la ductilité dans les zones soudées. Ceci est important du fait que les éléments peuvent être fabriqués par des techniques de seudage,en facilitant ainsi les procédés de fabrication. Le Tableau IV donne les résultats d'essais de résistance à la traction d'éprouvettes fabriquées avec un alliage ayant la composition nominale suivante : 6 % d'aluminium, 5 de zirconiui, 0,5 96 de molybdène, 0,25 % de silicium. Les éprouvettes ont été usinées à partir d'une feuille d'une épaisseur de 1,78 mm, et le seconde et la troisième indiquées sur le tableau ont été soudées le long de leurs axes longitudinaux par deux procédés de soudage.La longueur de calibrage de 50,8 mm est normaletent utilisez pour une feuille et donne des valeurs de ductilité Inférieures à celles obtenues lorsqu'on utilise une longueur de calibrage égale à Dans le présent cas, un allomgement de 7 % sur une longueur de calibrage de 50,8 mm équi- vaut à un allongement d'environ 10 96 sur une longueur de calibrage de comme celle utilisée sur les Tableaux I, II et III. On voit d'après le Tableau IV que les alliages ne subissent pas do fragilisation par suite du soudage. Un alliage de utile conposition a été essayé quant à sa fra gilisation sous la forme d'une plaque d'une épaisseur de 3,81 mm et les résultats de ces essais sont indiqués sur le Tableau V. On obtient une augllentation de la résistance à la traction et une certaine diminution de la ductilité par suite de l'effet de chauffage de l'opération de soudage, mais il ne se produit pas de diminution importante de la ductilité après une exposition pendant 300 heures à 5200C. Les remarques relatives à la longueur de calibrage en se référant au Tableau IV sont applicables au Tableau V. Les alliages suivant l'invention snt sensibles, même sous forme de grandes pièces, à un traitement thermique pour produire de bonnes propriétés de résistance au fluage avec une bonne ductilité. Le Tableau VI indique les propriétés de résistance à la traction avant et après l'exposition à une température élevée et les propriétés de résistance au fluage à 520 C. de deux disques épais traités thermiquement qui simulent dcs éléments de moteurs d'avions. A des fins d'essai, les disques ont été découpés après le traitement thermique et des éprouvettes ont été usinées à partir d'échantillons prélevés dans trois positions dans le plan central parallèle aux faces du disque et dans des plans parallèles au voisinage des faces supérieure et inférieure. Les échantillons ont été prélevés dans le sens radial et dans une position située au -g-iilieu du rayon. On remarquera que le critère de resistance au fluage ne dépassant pas une déformation plastique totale de 0,1 96 en 100 heures à 520 C. sous une contrainte de 3140 kg-force/cm est satisfait, même à une épaisseur de 63,5 mm. Ces conditions d'essai sont sévères pour les aliages de titane, La résisantce à la traction minoimalo admissible de 9420 kg-force/cm est dépassée et la ductilité, comme indique par l'allongement et la ré- duction de la surface, dépasse largement la valeur -iinimale. Le facteur important des valeurs de ductilité indiquées sur le Tableau VI est la conservation d'une bonne ductilité après une exposition à une température de 52000. Lorsqu'on les essaie de cette fagon, les alliages connus de ce type présentant d'autres teneurs en éléments stabilisateurs de la phase bote ne parviennent pas à manifester une ductilité suffisante pour etre utilisés sans risqua dans les moteurs d'avions. L'un des intérêts du titane est sa densité relativenent faible, nais cet avantage peut diminuer dans une certaine mesure en l'alliant avec des éléments de plus grande densité. Dans le domaine de l'aviation, la densité est de la plus haute importance et des rapports élevés de la résistance mécanique au poids sont indispensables dans ces applications,en plus du degré élevé de résistance au fluage et de ductilité. Un avantage de la présente invention réside dans le fait que les excellentes propriétés de résistance au fluage aux hautes températures, la ductilité stable au cours des variations de température, la bonne forgeabilité et la bonne soudabilité sont accompagnécs par une densité légèrement inférieure à celle du titane pur. TABLEAU I Effet du molybdène sur la ductilité à la température ambiante après exposition à une température élevée Teneur Exposition à laquelle Propriétés de résistance à la traction avant et apres exposition on Mo, ost soumise l'éprou- Limite élas- Résistance à Allongonent # Réduction % vette après usinage tique, 0,1 %, la traction, % de surface, (sans contrainte) kg-force/cm kg-force/cm % 0,46 Néant 10 079,4 11 884,9 13 16,5 300 heures 520 C. 10 330,6 12 010,5 13 16 Néant Eprouvette défect leuse 0,77 300 heures 520 C. 10 519 12 151,8 9 7 Néant 11 272,6 12 811,2 9 11,5 0,97 300 heures 520 C. 11 429,6 12 403 3 4 TABLEAU II Effet de la teneur en aluminium sur la ductilité à température ambiante après exposition à des températures élevées Propriétés de résistance à la traction Toneur Conditions d'exposition au fluage avant et après oxposition nominale en alumi- Tempéra- Durée, Contrainte Déformation Limite Limite Résistarce Allon- Réducnium, % ture, C. heures kg-force/ plastique élasti- élasti- à la trac- gement tion de cm totala, % que 0,1% que 0,2% tion, kg- sur # surface kg-force/ kg-force/ force/cm % % cm cm 6,5 - - - - 9372,9 9608,4 10 848,7 14 21 520 300 3140 0,097 9875,3 10 126,5 10 990 5 8 6,0 - - - - 8933,3 9121,7 10 456,2 10 19 520 300 3140 0,068 9043,2 9121,7 10 205 13 16 6,5 - - - - 9577 9906,7 11 005,7 14 22 1000 450 3925 non mesurée 9686,9 9906,7 10 958,6 6 9 6,0 - - - - 8996,1 9247,3 10 660,3 11 21 1000 450 3925 0,025 9325,8 9435,7 10 334,7 13 18 5,8 - - - - 8509,4 8760,6 10 189,3 14 25 1000 450 3925 0,049 9278,7 9451,4 10 424,8 14 22 Toutos les matières sont traitées thermiquement pendant 1 heure à 1050 C. et trempées à l'huile, en les maintenant ensuite pendant 24 heures à 550 C. et en les refroidissant à l'air. TABLEAU III Effet de la teneur en silicium sur la ductilité à la tompérature ambiante après exposition à une température élevée Toneur on Déformation plas- Propriétés de résistance à la traction avant et après exposition silicium, tique totalo, % au fluage % on 100 heures à 520 C. sous une Limite élas- Limite élas- Résistanco à Allong@@@ont Ré@uction contrainte de tique 0,1 % tique 0,2 % la traction, # de surf@ce, 3140 kg-force/cm kg-force/cm kg-force/cm kg-force/cm % % 0,27 Ténoin 9498,5 9592,7 10 833 15 23 0,031 9953,8 10 095,1 10 990 15 20 0,39 Témoin 9357,2 9592,7 10 833 13 22 0,029 9828,2 9953,8 10 848,7 10 14 0,40 Témoin 8996,1 9341,5 10 424,8 12 20 0,027 9388,6 9592,7 10 597,5 10 13 Toutes les @atièrés sont traitées therniquement pondant une houre à 1050 C. @t sont trempées à l'huilo, en les maintenant ensuite pendant 24 houres à 330 C. et on les refroidissant à l'air. TABLEAU IV Linite élastique 0,1 % Résistance à la Allongement sur kg-force/cm traction, 30,8 @@, % kg-force/cm Pas de soudure 9828,2 11 272,6 6 Soudure au moyen d'un faisceau electronique 9561,3 11 131,3 8 Soudure à l'arc dans l'argon 9514,2 11 382,5 7 Feuille de 1,78 mm traitéc thormiquement pendant 15 minutes à 1050 C., refroidie à l'air, traitéc thermiquement pendant 24 heures à 500 C. et refroidie à l'air. TABLEAU V Limite élastique 0,1 % Résistance à la Allongement sur kg-force/cm traction, 50,8 mm, % kg-force/cm Témoin, non soudé 8807,7 9906,7 10 300 heures à 520 C. 9090,3 9906,7 8 Témoin 8493,7 10 566,1 6 Soudure longitudinale 300 heures à 520 C. 9906,7 11 178,4 5,5 Plaque de 3,81 mm traitée thermiquement pendant 15 minutes à 1015 C., refroidie à l'air, traitée thermiquement pendant 24 heures à 500 C. et refroidie à l'air. TABLEAU VI Dimension du Position des % de déforma- Propriétés de résistance à la traction disque et éprouvettes dans tion plastique avant et après expesition à 520 C. traitement les disque (toutes totale en 100 thermique radiales et au mi- heures à 520 C. Linite Limite Résistance Allon- Réduclieu du rayon) sous une con- élasti- élasti- a la tra@- gement tion de trainte de que 0,1% que 0,2% tion, 4 # surface 3140 kg-force/ kg-force/ kg-force/ kg-force/ % % cm cm cm cm Diamètre de Bord de l'épaisseur- - 8697,8 9027,5 10 173,6 14,5 26 30,48 cm x face supérieure 0,050 8949 9200,2 9969,5 13 20 épaisseur de 44,45 mm Poids de 12,7 kg Centre de l'épais- - 8336,7 8650,7 9953,8 11 25 1 3/4 heure à seur 0,033 8776,3 9011,8 9843,9 14 18 1050 C. Trempé à l'huile + 24 heures à Bord de l'épaisseur- - 9043,2 9200,2 10 299,2 15 25 500 C. + refroi- face inférieure 0,049 8964,7 9168,8 10 236,4 14,5 23 di à l'air Diamètre de Bord de l'épaisseur- - 8807,7 8964,7 10 220,7 13,5 21 30,48 cm x face supérieure 0,075 8949 9074,6 9969,5 14 18 épaisseur de 63,5 mm Poids de 20,9 kg Centre de l'épais- - 8415,2 8603,6 9749,7 13,5 24 2 heures et demie seur à 1050 C. 0,066 8635 8760,6 9543,6 12,5 17 Trempé à l'huile + Bord de l'épais- - 8870,5 9121,7 10 299,2 13,5 25 24 heures à 500 C. seur + refroidi à l'air face inférieure 0,100 9090,3 - 10 157,9 13,5 21 REVENDICATIONS 1. Alliage à base de titane, caractérisé en ce qu'il comprend, en poids, de 5 à 6,5 % d'@lu@inium, de 3 à 7 % de zirconium, de 0,23 à 0,7 % de @olyb@ène, de 0,05 à 0,4 % de silicium, le reste étant du titane, @@@@is les impuretés. 2. Alli@ge a b@se de titane selon la revendicstion 1, caracterise en ce qu'il c@@@rend 6 % d'aluminium, 5 % de zirconium, 0,5 % de @olybdène, 0,25 % de silicium, le reste étant du titane, hormis les impuretés.