Brevet FR2475952A1 — publié le 19810821

L'invention a trait à un procédé de forgeage des alliages de titane. Il est particulièrement applicable aux micro-structures de type a, voisines de a et a + B. Un but d'un tel procédé de forgeage est de produire dans l'article fini une dimension de grains O qui est aussi fine et unifor- me que possible. On sait que la dimension de grains d'une pièce forgée est influencée dans une certaine mesure par la sé- quence des opérations effectuées. La présente invention est le résultat d'études poursuivies pour comprendre plus com- plètement l'influence des procédés de revenus et de recris- tallisation se produisant pendant le forgeage et le traite- ment thermique des alliages de titane. Les alliages de titane présentent une transforma- tion allotropique à partir de la phase cubique centrée O à haute température vers la phase hexagonale a très serrée avec de faibles proportions de B retenue à plus basse tem- pérature. Les réactions se produisant pendant le forgeage sont influencées dans une large mesure selon que le forgeage est effectué au dessus ou en dessous du point de transfor- mnation appelé transition B. Le forgeage au dessus de la transition 0 est re- lativement'facile. La phase 5 se déforme sous des efforts - assez faibles et la déformation est distribuée uniformément dans toute la section de la pièce. La déformation introduit des tensions dans le matériau sous forme d'un réseau de dis- location. La température est suffisamment haute pour que le mouvement de dislocation soit relativement-libre et aus- sit8t que les dislocations apparaissent, elles tendent à se réarranger d'elles-mêmes en un réseau régulier pour ré-- duire les tensions. Ce procédé est appelé r evenu. Si la dé- formation se produit plus vite qu'elle ne peut être accomo- dée par le revenu, alors les contraintes peuvent s'accumuler jusqu'à un niveau tel que dans les zones d'énergie la plus haute, typiquement aux frontières des grains, de nouveaux grains vont se former. Les nouveaix-grains exempts de tension vont croltre -de préférence dans la structure déformée et la remplacer. Ceci est appelé recristallisation B. En changeant la tempé- rature de forgeage et le taux de contraintes, il est possi- ble de produire des structures récristallisées $ avec des dimensions de grains situées dans un domaine allant de plus grand que le matériau de départ (peu de noyaux) à considé- rablement plus fin que le matériau de départ (grand nombre de noyaux). Une telle plage de dimensions de grains a été produite au cours des recherches. Il est usuel de procéder à au moins quelques unes des réductions de forgeage des alliages de titane dans le domaine B pour bénéficier d'une facilité de mouvement du métal, d'une déformation uniforme et d'un bon remplissage de la matrice. On a constaté que par un contrôle délibéré des conditions de forgeage O, on pouvait obtenir aussi un affinage des grains d'une importance significative. Ceci forme une partie du procédé d'affinage général du-grain dé- crit par la présente invention. Le forgeage en dessous de la transition O est plus difficile. La microstructure est en prédominance une phase a avec de petites quantités de O retenues et les opérations de forgeage en dessous de la transition sont appelées for- geage a + B. La phase a est relativement rigide et nécessi- te des pressions de forgeage plus élevéés pour le mouvement du métal, et par suite la déformation tend à être distribée de façon inégale dans la section de la pièce. La températu- re inférieure de l'opération de forgeage réduit le mouvement de dislocation et rend plus difficile l'absorption de l'éner- gie des tensions résultant des déformations, par revenu ou recristallisation de la phase a. A la fin d'une opération de forgeage a + O typique, le matériau contient un niveau élevé de tensions. Un traitement thermique subséquent dans le domaine O provoque la recristallisation et puisque le revenu pendant le forgeage a été.maintenu à un minimum, la dimension de grains O recristallisée est plus fine que cel- le produite par un travail de forgeage équivalent dans le domaine B. L'emploi de l'opération de forgeage a +0 pour un affinage de grains O est bien connu en soi et employé dans I diverses techniques de forgeage en application commerciale pour les alliages de titane. Dans certaines techniques de forgeage commerciales, on effectue plusieurs opérations de forgeage a + 8, entre lesquelles on laisse refroidir le matériau jusqu'à tempéra- ture ambiante. Ceci se produit par exemple quand la forme finale d'une pièce est obtanue par forgeage dans une succes- sion de matrices de formes araduées. Comme le principal avantage du forgeage a + B est de produire un affinage de -. 10 grains sur un traitement thermique B subséquent, l'usage As répandu d'effectuer plusieurs opérations successives de for- geage a + y, suivies par une opération finale B suppose boie l'on pense que chaque opération de forgeage a+8 contri- bue ' l'énergie de contrainte vers la recristallisation fi- nale 8 lors du traitement thermique. On pense que ceci pour- rait être confirmé par la micro-structure optique du maté- riau qui montre que plusieurs observations successives de forgeage a + 8 produisent des déformations cumulatives. Selon l'invention, on a reconnu que seule l'opé- ration de forgeage a + B finale contribue à l'énergie de tension pour l'affinage du grain lors de la recristallisa- tion A. L'énergie de tension des opérations de forgeage a + B précédentes est en fait presque complètement enlevée par le revenu et la recristallisation a pendant le refroi- dissement et le réchauffage entre les opérations de for- geace a + À La présente invention met en application cette théorie pour définir un procédé de forgeage qui permet de produire des structures à grains 8 beaucoup plus fines et plus uniformes que celles obtenues par les techniques de forgeage habituelles. Par conséquent, la présante invention a pour objet un procédé de forgeage d'un alliage à base de titane ayant un premier état métallurgique a + B ou son équivalent et un second état métallurgique B à température plus haute ou son équivalent, dans lequel on effectue au moins trois cy- cles de forgeage, chacun comprenant une première étape de forgeage a + 8 suivie par une recristallisation 8 introdui- te soit comme une partie d'une opération de forgeage soit comme un traitement thermique 8 séparé. Dans certains cas, on peut considérer que le pro- cédé de forgeage comprend le dernier procédé pour former la billette, ainsi une opération finale de travail a + B sur la billette peut être suivie par un traitement thermi- que de recristallisation 8 pour constituer le premier cycle de forgeage conformément à la présente invention. Un alliage particulier avec lequel le procédé selon l'invention peut être appliqué avantageusement com- prend les proportions suivantes: aluminium 5,5%; étain 3,5%; zirconium 3%; molybdène 0,25%;silicium 0,35% et niobium 1%, le reste étant du titane et tous les pourcen- tages étant indiqués en poids. L'invention va maintenant être décrite plus en détails a titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins ci-joints sur lesquels: - la figure la est un graphique donnant la dimension des grains dans un disque spécimen forgé conformément à l'art antérieur, - la figure lb est un graphique analogue à celui de la fi- gure la mais avec un spécimen forgé conformément à la pré- sente invention, et - la figure 2 est un graphique donnant la dimension des grains dans différentes parties d'un autre disque forgé - 25 conformément à la présente invention. Les disques auxquels se réfèrent les figures la et lb ont été forgés au cours des recherches expérimentales effectuées par la demanderesse sur le procédé de forgeage. Le matériau des disques comprend un alliage à base de-titane obtenu auprès.de la firme "Imperial Metal Industrie Limited" désignée par la référence IMI 829. L'alliage comprend les proportions suivantes: aluminium 5,5%; étain 3,5%; zir- conium 3%; molybdène 0,25%; silicium 0,35%; niobium 1%, le reste étant du titane plus les impuretés. La température à laquelle le matériau passe de l'état a + 8 à l'état (transition 8) est environ 1015 C. L'IMI 829 est destiné à être utilisé à l'état trai- té thermiquement- et pour des propriétés mécaniques opti- - 2475952 mur et l'intéarité en utilisation, il nécessite une struc- ture à grains B. recristallisée uniforme. Les disques experiimentaux ont un diamètre final de 500 mm et une épaisseur de 70 mm. La pièce de forge était identique pour les deux disques, ayant 200 mm de diamètre, l'opération de travail final de la billette étant effectuée dans le domaine a + B. Les techniques de forgeage utilisées sont décrites en détails ci-après, mais d'une manière géné- rale, on verra que le second disque produit par un procédé conforme à la présente invention a une dimension de grains consistante et plus petite dans toute son épaisseur, par comparaison acecle disque forgé conformément à l'art anté- rieur (voir figures la et lb). On a porté en abscisse la distance en mm. à travers le disque, et en ordonnée le dia- mètre du grain B en mm. Disque 1: ce disque a été produit au moyen de techniques de forgeage classiques. La billette a été pré- chauffée dans le domaine B pour prendre a'antage du mouve- ment plus facile du métal. Comme bénéfice incident, le ma- tériau recristallise avec un grain recristallisé d'un dia- mètre moyen de 1 mm. Après préchauffage B, la billette a été forgée au marteau pour produire une galette. En raison du procédé de martelage utilisé, la température tombe en dessous de la transition B pendant le forgeage, et avant qu'il y ait un travail suffisant pour permettre à la re- cristallisations dese produire. Le reste de l'opération de forgeage a été effectué dans le domaine a + B. On a alors laissé le disque refroidir. Le préchauffage jusqu'au do- maine a+ B avant l'opération de forgeage suivante a donné la possibilité aux énergies de tension provenant du forgeage a + B préalable de se libérer par revenu et par recristal- lisation de la phase a. Le forgeage dans le domaine a + B réintroduit des tensions dans le matériau, mais en raison de la résistance élevée de la phase a à la déformation, le travail tend à être concentré dans la centre de la section du disque. Lors du traitement thermique $., le matériau re- cristallise avec un grain de diamètre moyen 0,8 à 0,9 mm dans le centre de la section et une dimension de grains con- sidérablement moins fine dans l'enveloppe restante (voir figure la). Disque 2; Ce disque a été produit en appliquant le procédé de forgeage conforme à la présente invention. La billette a été formée par une opération de forgeage a+ B et par conséquent le préchauffage B pour la première opé- ration de forgeage au marteau a provoqué une première recris- tallisation B. Cette opération de formation de la billette et le préchauffage B constituent ensemble le premier des cycles conformément à l'invention. La première opération de forgeage au marteau a été ensuite effectuée comme pour le disque 1. L'opération de forgeage subséquente pour le disque 2 cependant commence à une température dans la région B. Par suite, il y a eu une recristallisation S additionnel- le lors du préchauffage du au travail a + B préalable. Pen- dant la seconde opération de forgeage au marteau, la tempé- rature tombe à nouveau en dessous de la transition Set par conséquent, une partie satisfaisante du travail a été faite dans la structure pendant que l'alliage est à l'état a+ B. Quand on effectue le traitement thermique final dans le do- maine B, cette énergie de tension donne lieu à une autre recristallisation. Ces trois étapes d'affinage du-grain don- nent au disque une dimension de grains plus fine que l'in- clusion de la déformation B dans les deux opérations de forgeage au marteau produisant un mouvement de métal plus uniforme et par suite une plus grande uniformité de dimen- sion de grains (voir figure lb). On notera que le disque 2 comporte dans sa fabri- cation les étapes subséquentes de recristallisation B de la billette travaillée dans a + B, le travail a + B vers la fin du forgeage, la recristallisation B pendant le pré- chauffage, le travail a + B vers la fin du forgeage et la recristallisation B lors du traitement thermique. Ceci as- sure la pluralité des cycles de forgeage a + B et B et de traitement thermique mis en oeuvre conformément à la pré- sente invention. Afin de vérifier les résultats obtenus par ces essais, un autre disque a été forgcé conformément à la pré- sante invention. Ce disque était du mrme matériau que les disques expérimentaux et avait un diamètre de 700 mm et une épais- seur de 160 mm. Le procédé de forgeage utilisé a été: trai- tement thermique e pour recristalliser la billette travail- lée en a + B, préchauffage a + e et forgeage, préchauffage O et forgeage, préchauffage a + e et forgeage et traitement thermique final B. Ceci a donné effectivement trois des cycles de forgeage nécessaires dans le procédé de la pré- sente invention et par suite, le diamètre moyen du grain final dans les parties minces du disque était de 0,3 à 0,7 mm ce qui est remarquablement fin et uniforme pour un for- geagea d'un disque grand et complexe, voir figure 3 sur la- quelle comme sur la figure 1, on a indiqué en abscisse, en mm la distance à travers le disque et en ordonnée le dia- mètre du grain C en mm, respectivement, du bas vers le haut, au centre du disque dans une partie mince et au bord du disque. Il ressort de ce qui précède que, bien que l'in- vention ait été définie comme étant un procédé de forgeage, elle peut aussi comprendre une première étape de recris- tallisation de la structure de la billette. On notera éga- lement que, bien que les essais décrits ci-dessus ont été effectués sur un alliage particulier, il est évident que le procédé pourrait être utilisé pour tout alliage à base de titane avant un changement allotropique de a en $ dans le domaine de température de forgeage de l'alliage, et pro- bablement pour tout alliage à base de titane pour autant qu'il possède un changement de phase analogue. 2475952- REVENDICATIONS 1. Procédé de forgeage d'une pièce en alliage à base de titane ayant un premier état métallurgique se +, et un second état métallur- gique à température plus élevée, caractérisé en ce que l'on effectue au moins trois cycles de forgeage, chaque cycle compre- nant une première étape de forgeage dans le domaine de tempéra- ture " + fi suivie par une seconde étape comprenant une recristal- lisation dans le domaine de température,8. 2. Procédé de forgeage d'une pièce en alliage à base de titane selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage comprend: aluminium 5,5 %; étain 3,5 %; zirconium 3 %; molybdène 0,25 %; silicium 0,35 % et niobium 1 %; le reste étant constitué par du titane avec des impuretés, les pourcentages étant donnés en poids. 3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un cycle de forgeage comprend la recristallisation de la billette de départ à partir de son état initial travaillé dans le domaine î + fi. 4. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé par le chauffage de la pièce dans le domaine de température fi et le forgeage de la pièce pendant que sa température descend dans le domaine de température oa + fi cette opération compre- nant la seconde étape d'un cycle et la première étape du cycle suivant. 5. Pièce en alliage à base de titane fabriquée selon le procédé d'une des revendications précédentes.