Brevet FR2435299A1 — publié le 19800404

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'éléments métalliques, par formage d'une matière superplastique et forgeage. Depuis de nombreuses années, on sait que certains métaux tels que le titane et de nombreux de ses alliages, présentent le phénomène de superplasticité. Il s'agit de l'aptitude d'une matière à présenter des allongements inhabituellement élevés sous traction avec une tendance réduite à l'amincissement. Cette aptitude n'est présentée que par un petit nombre de métaux et d'alliages, et dans des plages limitées de températures et de vitesses de déformation. te brevet des Etats-Unis d'mériqae n0 3 340 101 décrit un exemple de procédé de formage d'une matière superplastique. Cependant, le formage superplastique, par sa nature même (,c'est-à-dire la tendance réduite à l'amincissement) provoque une déformation globale constante si bien que l'épaisseur de la structure finale est pratiquement la même partout. Ainsi, on n1 utilise pas le formage superplastique pour la fabrication de nombreuses pinces et raccords d'épaisseur variable qui sont usinés à partir de barre# de plaques ou d'une matière à forger de coût élevé, avec les déchets correspondants de matière. L'invention concerne la fabrication efficace de struc- turnes ou éléments complexes d'épaisseur variable. Elle concerne aussi la fabrication d'éléments métalliques en une seule opération par combinaison d'un formage superplastique et d'un forgeage. Elle concerne aussi la fabrication de pièces ayant subi un emboutissage profond et ayant une épaisseur variable. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments métalliques qui combinent le formage superplastique et le forgeage. Une ébauche métallique ayant des caractéristiques superplastiques et un organe de mise en forme qui délimite pratiquement la configllration finale dc ltéballelle sont préparés et l'ébauche est portée dans une plage de températures convenant au formage superplastique. Une pression est appliquée à l'ébauche afin qu'une partie de celle-ci au moins se dilate de façon superplastique. Une partie au moins de l'ébauche est forgée contre l'organe de mise en forme. Dans un mode de réalisation avantageux, des organes de mise en forme sont utilisés et l'ébauche subit une expansion superplastique et une déformation contre l'un au moins des organes de mise en forme ainsi qu'un forgeage entre les organes de mise en forme. La plage de températures convenant au formage superplastique de l'ébauche convient aussi de façon optimale au forgeage de l'ébauche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures 1A à 1C sont des coupes schématiques illustrant la mise en oeuvre d'un premier mode de réalisation de l'invention, les figures représentant successivement la position initiale de l'ébauche par rapport aux organes de mise en forme, une position intermédiaire après la fin du formage superplastique et la structure finale formée après le forgeage les figures 2A à 2C qui illustrent schématiquement la mise en oeuvre d'un second mode de réalisation du procédé de l'invention, représentent respectivement la position initiale de l'ébauche par rapport aux organes de mise en forme, une position intermédiaire après la fin du formage superplastique, et la structure finale formée après la fin du forgeage les figures 3A à 3C sont des coupes illustrant un troisième mode de réalisation du procédé de l'invention, et représentant successivement la position initiale de l'ébauche par rapport aux organes de mise en forme, des positions intermédiaires de l'ébauche correspondant à la forme obtenue par formage superplastique comme indiqué en trait interrompu et après la fin du formage superplastique comme indiqué en trait plein, et la structure finale formée après la fin du forgeage et les figures 4A à 4C sont des coupes schématiques illustrant un quatrième mode de réalisation du procédé de l'invention et représentant respectivement la position initiale de l'ébauche par rapport aux organes de mise en forme, une position intermédiaire de l'ébauche après la fin d'un forgeage, et la structure finale formée après la fin du formage superplastique. Un formage superplastique, pour être satisfaisant, doit mettre en oeuvre une matière convenable. L'importance des propriétés superplastiques présentées par une matière quelconque choisie peut être prédite de façon générale d'après la détermination de sa sensibilité à la vitesse de déformation et par détermination de la variation possible de l'épaisseur de paroi. La sensibilité à la vitesse de déformation peut être représentée par le paramètre m tel que m Log d Lo La sensibilité à la vitesse de déformation peut tre déterminée par un essai de torsion simple et mainte-nant bien admis, décrit dans l'article "Determination of Strain-Hardening Characteristics by Torsion Xesting't de D.S. Fields, Jr., et W.A. Backofen, Proceedings of the ASTM, 1957, volume 57, pages 1259-1272. On peut prévoir qu'une sensibilité à la vitesse de déformation de 0,5 environ ou plus donne des résultats satisfaisants; plus cette valeur est importante et plus les propriétés superplastiques sont notables (la valeur atteignant au maximum 1).On note donc que la sensibilité maximale à la vitesse de déformation dans les métaux, lorsqu'elle existe, se présente lorsque les métaux sont déformés près de leur température de transformation de phase. Ainsi, la température juste inférieure à la température de transformation de phase peut être prévue comme donnant la plus grande sensibilité à la vitesse de déformation. Dans le cas du titane et de ses alliages, la plage de températures dans laquelle on peut observer la superplasticité est comprise entre 790 et 1010 C, et elle dépend de l'alliage particulier utilisé. On constate que d'autres paramètres ont un effet sur la sensibilité à la vitesse de déformation et on doit donc les considérer pour la sélection d'une matière métallique convenable. La réduction de la dimension granulaire accroît de façon correspondante la sensibilité à la vitesse de déformation. On constate que la valeur du paramètre m atteint un maximum pour une valeur intermédiaire de la 'vitesse de déformation (de l'ordre de 10 4 cm/cm.s). Pour une déformation maximale stable, le formage superplastique doit être effectué pour cette vitesse de défor- mat ion. Une variation trop importante par rapport à la vitesse optimale de déformation peut provoquer une disparition des propriétés de superplasticité. On se réfère maintenant aux figures 1A à 1C qui représentent la mise en oeuvre d'un premier mode de réalisation de l'invention. Une ébauche 10 est avantageusement formée d'un flanc métallique sous forme d'une feuille ayant des surfaces principales opposées supérieure et inférieure 12 et 14. Tout métal présentant des propriétés superplastiques convenables peut être utilisé, mais l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas du titane ou d'un de ses alliages tels que l'alliage Ti-6Al-4V. En outre, il est avantageux que le métal utilisé pour l'ébauche 10 puisse subir une déformation plastique lorsqu'il est comprimé, à des températures qui peuvent être obtenues de façon rentable (le titane et l'alliage précité correspondent à cette qualification). l'épaisseur initiale de l'ébauche 10 est déterminée- par les dimensions de la pièce à former. l'ébauche 10 est supportée par un organe 20 de mise en forme. Celui-ci délimite une chambre 22 et une surface 24 d'un moule femelle. Cette surface 24 a une partie 25 en saillie. Un anneau 30 d'appui constitue un dispositif de serrage de l'ébauche 10. Un bord continu unique de l'ébauche 10 est maintenu efficacement entre l'anneau 30 et l'organe 20. Un poinçon ou organe 40 de mise en forme a une surface mâle 42 de matrice qui est de préférence complémentaire de la surface femelle 24 de moulage ou de matrice. les dimensions des organes 20 et 40 sont telles qu'ils sont complémentaires de la configuration qui doit être formée, c'est-à-dire que la partie non retenue de l'ébauche 10 correspond à la surface 24, par sa surface 14, et à la surface 42 du poinçon 40, par sa surface 12. Une considération essentielle pour la sélection d'un alliage convenable des organes de mise en forme porte sur leur réactivité vis-à-vis du métal à former aux températures utilisées. lorsque le métal à former est le titane ou un de ses alliages, les alliages à base de fer, à faible teneur en nickel et à teneur modeste en carbone (0,2 à 0,5 % de carbone par exemple) donnent satisfaction. Comme les charges utilisées pour le formage sont relativement faibles, la résistance au fluage et les propriétés mécaniques ont assez peu d'importance. La figure 1E représente le formage superplastique de l'ébauche 10. Bien que, dans ce mode de réalisation, le formage superplastique soit mis en oeuvre avant le forgeage, cette succession est pas primordiale. L'une ou l'autre opération peut être réalisée avant l'autre ou dans certains cas, les deux opérations peuvent être réalisées simultanément. Lorsque le formage supe#rplastique et le forgeage sont réalisés simultanément, ils sont appliqués à des parties différentes de l'ébauche. Dans le cas du formage superplastique, l'ébauche 10 doit être disposée dans une plage de températures à laquelle elle présente des caractéristiques superplastiques, si elle ne se trouve pas déjà dans cette plage. On peut utiliser divers procédés de chauffage de l'ébauche 10 dans la plage voulue (dans laquelle le métal est à l'état plastique avec une sensi bilitéconvenable à la vitesse de déformation). Ainsi, l'appareil de formage peut être placé entre des plateaux chauffés (non représentés) comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 934 441. Ce procédées avantageux car il assure aussi le chauffage des organes 20 et 40 si bien que les zones de l'ébauche 10 qui sont au contact de ces organes pendant le formage (et le forgeage) ne subissent pas une modification importante de température. te formage de l'ébauche 10 à la configuration voulue peut etre réalisé sous l'action d'une pression exercée par le poinçon 40 ou sous l'action d'une différence de pressions de part et d'autre de l'ébauche 10. te brevet précité des Etats Unis d'Amérique n0 3 934 441 décrit un procédé mettant en oeuvre une telle différence de pression; On constate que des différences de pressions qui conviennent au formage superplastique varient normalement entre environ 105 et 2,1.106 Pa. Lorsqu'on utilise une différence de pressions, l'ébauche constitue un diaphragme. Comme indiqué sur la figure 1B, dans ce mode de réalisation, un organe 40 formant une matrice mâle est repoussé contre l'ébauche 10 à une vitesse telle qu'il provoque un formage superplastique. Cette vitesse doit être telle que la vitesse de déformation superplastique n'est pas dépassée. tes temps de formage dépendent de l'épaisseur du diaphragme, des propriétés superplastiques de la matière et de la pression utilisées (ou de la vitesse de déplacement de la matrice 40), et ils peuvent varier entre 10 min et 16 h. Comme indiqué sur la figure 1B, la partie non retenue de l'ébauche 10 subit un formage superplastique contre la surface 42 de la matrice et elle se déforme de préférence aussi en quantité suffisante contre la surface 24 de la matrice.L'ébauche 10 ayant subi le formage superplas tique a une épaisseur uniforme. Cependant, une partie de l'ébauche 10 n'est pas au contact de la partie inférieure évidée 27 de la surface 24 de la matrice étant donné la déformation uniforme obtenue au cours d'un formage superplastique, c'est-à-dire que le reste de la surface 24 est au contact de l'ébauche 10 si bien que le poinçon 40 ne peut pas descendre plus sans augmentation importante de pression qui provoquerait le dépassement de la vitesse de déformation nécessaire au formage superplastique. La figure 1C représente la fin de la mise en oeuvre du procédé. La pression exercée par le poinçon 40 (une différence de pressions peut aussi être utilisée pour le forgeage de l'ébauche 10 mais il ne s'agit pas d'un procédé avantageux étant donné les pressions extrêmement importantes que doivent alors appliquer des gaz, compte tenu des problèmes d'étanchéité et du fait que le gaz doit exercer une pression uniforme sur la surface de l'ébauche 10) augmente alors et est maintenue de manière qu'un fluage se manifeste comme au cours du fermage isotherme ou du "matriçage à chaud" classique, si bien que l'ébauche 10 est forgée entre les organes 20 et 40, de la configuration de la figure 13 à celle de la figure 1C (le rniiii devant,fluer contrc la partie 27 en creux). Ce forgeage cnt analogue à celui qui est décrft,dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 519 523 selon lequel l'ébauche a des propriétés de faible résistance mécanique et de ductilité élevée lorsqu'elle est forgée. te forgeage est effectué dans des matrices chaudes, à une température de forgeage qui ne diffère pas de plus de t95 C environ de la température normale de recristallisation de l'alliage et qui ne dépasse pas de façon durable cette température, avec inhibition d'une croissance granulaire importante. Dans un cas optimal, la plage de températures utilisée pour le formage superplastique de l'ébauche 10 convient aussi au forgeage de celle-ci.Par exemple, dans le cas de l'alliage précité Ti-6Al-4V, on peut -utiliser une température d'environ 9300C pour les étapes de forgeage et de formage superplastique. La pression de forgeage qui peut être utilisée peut varier et dépend de nombreux paramètres tels que le métal ou alliage particulier utilisé pour l'ébauche 10, ses propriétés de formage à la température utilisée pour le formage, l'épaisseur de l'ébauche 10, l'importance de la déformation nécessaire, le temps voulu de traitement, etc. On constate selon l'invention que, dans le cas du titane et de ses alliages et notamment de l'alliage Ti-6Al-4V, la plage de pressions qui peut être utilisée est comprise entre 1,05.107 et 7.1ou Pa, la plage la plus avantageuse étant comprise entre 1,4.107 et 4,2.lot Pa, L'extré- mité inférieure de la plage la plus avantageuse donnant les meilleurs résultats.Suivant la configuration, cette pression est normalement appliquée 4 à 5 h, mais ce temps peut être aussi faible qu'une demi-heure lors de la fabrication d'éléments de configuration simple. Bien que la pièce à former et representée sur la figure 10 ne puisse pas tre obtenue par forgeage seul étant donné l'allongement important nécessaire (comme indiqué sur lafigure lB), un forgeage important est possible. En effet, la matière superplastique présente de faibles contraintes de fluage. Ainsi, les charges de forgeage peuvent être entretenues pendant une longue période afin qu'elles stajoutent aux faibles contraintes disponibles de fluage de l'ébauche superplastique. les matrices chauffées empêchent un refroidissement indésirable de la pièce à forger. Il faut noter que les contraintes de fluage sont réduites aux vitesses de déformation. De cette manière, des pressions réduites peuvent provoquer le forgeage (bien qu'avec des vitesses réduites de déformation) et le forgeage d'organes relativement minces est possible. Comme indiqué sur la figure 1C, la pièce formée a une épaisseur variable, l'-épaisseur étant la plus grande le long du bord continu maintenu entre l'anneau 30 et l'organe 20 (cette partie ne devant pas être retirée de la pièce terminée), la section la plus mince se trouvant au niveau du recouvrement de la saillie 25 de la surface 24 de la matrice, une partie ayant une épaisseur intermédiaire recouvrant la partie restante de la surface 24 de l'organe 20. Lorsque l'ébauche 10 est en un métal réactif tel que le titane et ses alliages, dont la surface serait contaminée à la température élevée nécessaire au formage superplastique, le procédé de l'invention doit être mis en oeuvre en atmosphère inerte. Un système empêchant la contamination et qui convient à la formation d'une telle atmosphère inerte, est décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n0 3 934 441. Après l'opération de formage, la pièce 10 est retirée, ébavurée, nettoyée puis traitée à volonté en fonction de l'application prévue. L'outillage peut être chauffé et refroidi pour chaque pièce produite ou il peut être maintenu dans la plage de températures de traitement, chaque pièce étant fabriquée, éjectée et retirée et une feuille suivante étant introduite et formée juste après. tes figures 2A à 2C, 3A à 3C et 4A à 4C illustrent d'autres modes de réalisation du procédé de l'invention. La description qui précède des propriétés nécessaires au formage superplastique et au forgeage, portant notamment sur les températures élevées, les matières d'ébauche qui conviennent et les pressions nécessaires, s'applique aussi à ces modes de réalisation. les figures 2A à 2C correspondent à un second mode de réalisation du procédé selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, la pièce 10 n'est pas serrée à sa périphérie, par un dispositif analogue à l'anneau 30 de la figure 1, mais elle peut être tirée dans la cavité de formage au cours de cette opération. ta figure 2A représente la position initiale de l'ébauche 10 par rapport aux organes 20 et 50 de mise en forme. La figure lB représente ltébauche 10 après son formage superplastique sous l'action de la matrice mâle 50. La pièce complètement formée 10 est représentée sur la figure 2C, le forgeage ayant été assuré par l'augmentation de la pression appliquée par l'organe 50, pendant le temps nécessaire. Les figures 3A à 3C représentent un autre mode de réalisation dans lequel la position initiale de l'ébauche 10 est représentée sur la-figure 3A. Cette ébauche 10 a un bord continu unique maintenu entre un organe 60 de mise en forme et un organe 62 d'appui de forme annulaire. Des canalisations 64 et 66 de gaz sont montées dans ltorgane 62. Elles peuvent faire partie au système destiné à empêcher la contamination, comme décrit précédemment. Un poinçon 70 en forme de piston est disposé au-dessus de l'ébauche 10 dans la zone annulaire délimitée par l'organe 62. Une cavité 72 est ainsi délimitée par l'organe 60. Le poinçon 70 a une gorge 74, à sa surface de contact 75. La figure 3B représente le formage superplastique de l'ébauche 10, de sa position initiale à une position intermédiaire représentée en trait mixte sur la figure 3B et à la position finale représentée en trait plein. Ce formage superplastique est réalisé par l'action du gaz sous pression-transmis par des canalisations 64 et 66 qui sont reliées à une source de gaz inerte non représentée. Cette pression est aussi de préférence de l'ordre de 105 à 2,1.106 Pa. Lorsque l'ébauche 10 se déforme, le gaz inerte est chassé de la chambre 72 par les canalisations évents 76 et 78 formées dans l'organe 60. t'ébauche 10 est#mise à sa forme finale par une opération de forgeage, illustrée par la figure 30. Comme indiqué, le poinçon 70 descend et exerce une pression de forgeage par sa surface 75 de contact, à l'ébauche 10. Cette pression comprime les parties de l'ébauche 10 qui sont au contact et la matière est chassée et doit fluer dans la gorge 74. La partie de l'ébauche 10 qui flue dans la gorge 74 se met à-la configuration de la gorge 74 étant donné l'état plastique de l'ébauche 10 à la température élevée utilisée. Lorsque la partie restante de l'ébauche 10 qui est au contact de la surface 75 et ne flue pas dans la gorge 74 est comprimée, son épaisseur est inférieure à celle de la partie de l'ébauche 10 qui est au contact des parois latérales 73 de la chambre 72. ta partie de l'ébauche 10 qui dépasse dans la gorge 74 a une épaisseur accrue qui peut varier suivant la configuration de la gorge 74. Les figures 4A à 4C correspondent à un autre mode de réalisation de l'invention. Comme indiqué sur la figure 4A, l'ébauche 10, dans la position initiale, est maintenue entre un organe inférieur 80 et un organe annulaire supérieur 82 de retenue. Des canalisations84 et 86 de circulation de gaz sont formées dans l'organe 82 de retenue afin qu'une atmosphère inerte soit entretenue au-dessus de l'ébauche 10. t'organe 80 de mise en forme a une cavité 90 comprenant une partie supérieure tronconique 92 et une partie inférieure 94 de largeur uniforme. Des canalisations 96 et 98 de circulation de fluide sont formées à la partie inférieure de la partie 94 de la cavité 90. Ces canalisations sont reliées à une source de vide non représentée. Un organe 100 de mise en forme ou poinçon analogue à un piston ayant une surface de contact comprenant une partie tronconique 102, complémentaire de la partie tronconique 92 de la cavité 90, et une partie 104 de niveau, est disposé dans la zone annulaire 106 délimitée par l'organe 82 de retenue. Comme indiqué sur la figure 4B, le poinçon 100 descend et exerce une pression de forgeage sur l'ébauche 10 à l'emplacement de contacts avec les parois de la partie 92 de la cavité 90. La partie restante 110 de l'ébauche 10 est disposée dans la partie 94 de la cavité 90. La partie 110 de l'ébauche 10 subit alors un formage superplastique comme indiqué sur la figure 4C, par application d'une dépression (une surpression peut aussi être appliquée au-dessus de la partie 110 par transmission de gaz par les canalisations non représentées qui peuvent etre disposées dans le poinçon 100) par circulation dans les canalisations 96 et 98, l'ébauche se déformant et prenant la forme de la partie 94 de la cavité 90. La partie de l'ébauche 10 qui est au contact des cotés tronconiques102 du poinçon 100 est retenue par la pression exercée par le poinçon 100 et en conséquence son épaisseur ne varie pas lors du formage superplastique, c'est-àdire que la partie 110 a son épaisseur réduite étant donné son expansion lorsqu'elle se conforme à la partie 94 de la cavité 90. Ainsi, l'invention concerne un procédé de fabrication de structures et d'éléments métalliques, combinant le formage superplastique et le forgeage et présentant les avantages indiqués précédemment. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'éléments métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend la mise d'une ébauche métallique ayant des propriétés superplastiques dans une plage de températures convenant au formage superplastique de l'ébauche, la création de contraintes de tension dans l'ébauche par application d'une pression à celle-ci, avec une valeur qui suffit pour qu une partie au moins de l'ébauche subisse une expansion superplastique, et le forgeage d'une partie au moins de 11 ébauche contre un organe de mise en forme qui délimite pratiquement la configuration finale voulue pour l'ébauche 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie au moins de 11 ébauche se déforme contre l'organe de mise en forme lors de l'expansion superplastique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le forgeage est réalisé par application d'un fluide sous pression qui exerce une charge sur l'ébauche. 4. Procédé de réalisation d'éléments métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend la mise d'une ébauche métallique ayant des caractéristiques superplastiques dans une plage de températures convenant au formage superplastique de l'ébauche, la création de contraintes de tension dans l'ébauche par application d'une pression à celle-ci, avec une valeur suffisante pour qu'une partie au moins de l'ébauche subisse une expanxion superplastique, et le forgeage d'une partie au moins de l'ébauche entre au moins deux organes de mise en forme qui délimitent pratiquement la configuration finale voulue pour l'ébauche. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une partie au moins de l'ébauche se déforme contre l'un au moins des organes de mise en forme, lors de l'expansion superplastique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les organes de mise en forme sont portés dans ladite plage de températures dans l'étape de mise de l'ébauche dans une plage de températures convenant au formage superplastique. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plage de températures convenant au formage superplastique convient aussi au forgeage. 8. Procédé selon larevendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend la mise de l'ébauche dans une plage de températures convenant au forgeage. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il'comprend en outre la mise de l'ébauche et des organes de mise en forme dans une plage de températures convenant au forgeage. 10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les organes de mise en forme sont des matrices complémentaires, et ébauche est sous forme d'une feuille. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ébauche a deux surfaces principales opposées, et la pression appliquée à l'ébauche est appliquée par un fluide qui exerce une charge contre les surfaces principales de l'ébauche. 12. Procédé selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que le forgeage est assuré par application à l'ébauche d'une pression supérieure à la pression utilisée au cours de l'étape de création de contraintes de tension.