Brevet FR2510437A1 — publié le 19830204

La présente invention concerne le domaine du formage des matières, notamment dans des conditions superplastiques. Dans certaines conditions, certaines matières peuvent être déformées plastiquement sans rupture, bien audelà des limites normales, et cette propriété est appelée "superplasticité". Le procédé habituel comprend la disposition d'une feuille de la matière dans un moule; le chauf- fage de la matière à une température à laquelle elle présente le phénomène de superplasticité, puis l'utilisation d'un gaz pour l'application d'une pression d'un côté de la feuille. La pression appliquée suffit pour que la matière se déforme à une vitesse comprise dans la plage de superplasticité de la matière formée à la température choisie. Cette pression crée une contrainte de tension dans le plan de la feuille qui s'étire et se forme ainsi dans la cavité du moule. Ce procédé est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 181 000. Il est de plus en plus utilisé pour le formage à diverses configurations, par exemple de structures en feuilles de titane destinées aux aéronefs. Une caractéristique indésirable de nombreux alliages superplastiques est leur tendance à la formation de petites cavités internes ou d'une porosité fermée, pendant la déformation sous l'action des forces de traction imposées lors des opérations de formage utilisées habituellement. Les cavités limitent la ductilité de la matière à l'état superplastique et réduisent aussi ses propriétés mécaniques lorsqu'elles représentent une fraction volumique suffisamment importante. Malheureusement, la vitesse de formation de cette porosité fermée est habituellement maximale lorsque la superplasticité est maximale, et ce problème a limité l'application des procédés connus de formage à l'état superplastique. L'invention concerne un procédé destiné à éliminer ou réduire au minimum la formation de porosité fermée lors d'un formage à l'état superplastique. Elle concerne un procédé destiné à éliminer ou réduire la porosité formée dans les pièces ayant subi un formage à l'état superplastique. Elle concerne aussi un procédé de formage de pièces à l'état superplastique, par mise en oeuvre de vitesses optimales de déformation, sans création d'une porosité fermée. Plus précisément, selon l'invention, une pression est appliquée des deux côtés du flan soit au cours du formage soit après celui-ci. Lorsque la pression est appliquée au cours du formage, ce procédé d'application de pression réduit l'importance des contraintes de traction agissant sur les sites de nucléation des cavités et empêche ainsi la formation de celles-ci ou réduit leur dimension et leur nombre. La composante des contraintes hydrostatiques ou des contraintes maximales de traction, agissant sur une cavité ou un site de nucléation d'une cavité détermine normalement le fait qu'une cavité se forme et grossit ou non. Ainsi, si ces composantes peuvent être maintenues au-dessous d'un niveau critique, les cavités ne peuvent pas se former ou sont éliminées par fermeture lorsqu'elles se sont préalablement formées. Bien que l'amplitude des contraintes critiques destinées à empêcher la formation de cavités et à provoquer leur fermeture puisse être différente, les principes d'élimination des cavités dans les deux cas sont les mêmes. L'application d'une pression sur les deux faces du flan ajoute une composante de contrainte hydrostatique de compression à la composante de traction normalement créée, si bien que la composante hydrostatique résultante correspond à une tension réduite ou même une compression. Le même raisonnement s'applique à la contrainte maximale de traction agissant sur la cavité ou sur un site de nucléation de cavité Ces principes régissant l'état des contraintes sont bien connus des hommes du métier. C'est cet état modifié des contraintes agissant sur la cavité ou le germe d'une cavité qui empêche la formation de cavités pendant le formage à l'état superplastique ou qui les élimine lorsqu'elles ont été formées.La contrainte hydrostatique réduite de traction ou de compression est obtenue par application d'une pression par un gaz sur les deux faces d'un flan lorsqu'il a été placé dans un moule de formage et chauffé à une température permettant le formage à l'état superplastique. La pression appliquée du côté du flan qui est le plus éloigné de la surface du moule donnant la configuration est alors accrue de manière connue afin que la matière soit formée à l'état superplastique contre la surface du moule. Ainsi, la tendance à la formation de cavités est réduite ou éliminée car le formage est réalisé alors que les cavités ou les sites de nucléation des cavités sont soumis à des contraintes réduites. Lorsque la pression est appliquée après le formage de l'état superplastique, les cavités résultantes sont supprimées par déformation plastique et/ou diffusion. Dans ce second mode de réalisation, le flan est placé dans un moule de formage, chauffé à une température de formage à l'état superplastique, puis mis en forme à l'état superplastique de manière connue par application d'une pression par un gaz sur le côté du flan qui est le plus éloigné de la surface du moule. Lorsque le flan est formé contre la surface du moule, il y est maintenu par maintien de la pression de formage. Pendant cette période de maintien et étant donné l'action de la pression exercée par le gaz et de la réaction du moule, les cavités qui peuvent être formées pendant l'opé- ration précédente de formage se ferment par déformation plastique etiou diffusion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe d'un moule et d'un flan illustrant la mise en oeuvre d'un procédé de formage à l'état superplastique selon l'invention - la figure 2 est un graphique représentant un exemple de variation de la pression au cours du temps lors du formage à l'état superplastique d'une pièce en U, selon un procédé connu - la figure 3 est un graphique représentant la variation de la pression en fonction du temps lors du formage à l'état superplastique d'une pièce en U selon un premier mode de réalisation de l'invention ;; - la figure 4 est un graphique représentant des courbes indiquant l'état des contraintes permettant la suppression des cavités, en fonction du rayon de celles-ci ; et - la figure 5 est un graphique représentant la variation de la pression au cours du temps lors du formage à l'état superplastique d'une pièce en U lors de la mise en oeuvre d'un second mode de réalisation de l'invention. Le formage à l'état superplastique nécessite que la matière puisse présenter une valeur efficace de la sensibilité m à la vitesse de déformation. Cettevaleurdu paramètre m est fonction de la température, de la nature de la matière, de sa microstructure et de la vitesse de déformation. Les procédés de détermination du paramètre m et des vitesses optimales de déformation ainsi que des températures de formage sont déjà connus, comme décrit par exemple dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique nb 4 181 000. De nombreux alliages présentant le phénomène de superplasticité ont tendance à former des cavités internes pendant leur formage dans des conditions de superplasticité. On a attribué ce problème à un mécanisme de déformation par glissement aux limites des graines, commun à la fois à la formation des cavités et à la superplasticité. La formation des cavités dans la plupart des alliages superplastiques a été déterminée comme-due à l'apparition de particules existant aux limites des grains, qui forment des cavités à l'interface des particules et de la phase continue lorsque le glissement progresse aux limites des grains. Une fois la nucléation assurée, ces cavités s'agrandissent lorsque la déformation progresse et elles finissent pas se relier à d'autres cavites et peuvent conduire à une rupture. On a observé la formation de cavités après rupture par fluage de pièces mécaniques, et des chercheurs ont étudié les phénomènes de nucléation et de croissance de cavités dans les conditions de rupture par Tlae (des contraintes de traction étaient appliquées pendant de longues périodes, à température élevée) afin que la cause de ces ruptures puisse être comprise. L'effet de la pression hydrostatique sur la formation des cavités pendant les essais de rupture par fluage a été décrit dans les articules de D. Hull et D.E. Rimer, Philosophical Magazine, vol 4, page 673 (1959) et de R.T. Ratcliffe et G.W. Greenwood, Philosophical Magazine, vol. 12, page 59 (1965).Ces chercheurs ont étudié des fils métalliques dans des conditions de rupture par fluage et les effets de la pression hydrostatique sur la formation des cavités. Ces essais ont montré que la pression hydrostatique pouvait éliminer ou réduire les cavités pendant les essais de rupture par fluage des fils métalliques. On a constaté selon l'invention qu'on pouvait éliminer la formation des cavités pendant le formage à l'état superplastique par application d'une pression hydrostatique à la matière au cours de son formage. La figure 1 est une coupe d'un moule utilisé pour illustrer la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le moule a une partie supérieure 2 et une partie inférieure 4 entre lesquelles un flan 6 à former est serré. La pression de serrage peut être appliquée par le piston 8 d'une presse. Un dispositif 10 de chauffage muni d'une isolation entoure le moule et est utilise- pour lblevation de la température du flan 6 à la température de formage nécessaire à l'obtention des propriétés superplastiques. Des passages 12, 14 de circulation de gaz sont formés dans la partie supérieure 2 et dans la partie inférieure 4 du moule. La partie inférieure 4 a une surface 16 de formage qui délimite une cavité de moulage et donne la forme à la pièce terminée telle qu'une pièce en U comme représenté sur la figure 1. La pression est appliquée des deux côtés du flan 6, par l'intermédiaire d'entrées 12, 14 comme indiqué par les flèches 18 et 20. La figure 2 représente la variation de la pression au cours du temps pouvant être utilisée pour le formage à l'état superplastique d'un flan par mise en oeuvre d'un procédé connu. Du gaz est introduit par l'entrée 12 (figure 1) et applique une pression à la face supérieure du flan 6, suivant la courbe 22. Aucune pression 'est appliquée à la face du flan qui est tournée vers la surface 16 de mise en forme. Au contraire, le gaz peut s'échapper afin que la cavité du moule puisse être vidée, lorsque le flan s'enfonce dans la cavité. Bien qu'une pièce puisse être mise en forme cette manière, elle peut comporter de nombreuses petites cavités dues au phénomène de formation d'une porosité fermée. On peut éviter cette formation de porosité fermée par mise en oeuvre d'un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention, ce procédé comprenant l'application d'une pression pendant le formage aux deux côtés du flan 6 afin qu'une contrainte hydrostatique réduite de tension ou même une contrainte de compression soit créée dans le flan 6. Un flan de matière convenable est placé entre les deux parties 2, 4 du moule afin qu'il se trouve en face de la surface 16 de formage. Il est alors chauffé et maintenu à une température à laquelle il présente une sensibilité à la vitesse de déformation de valeur efficace. La pression est alors appliquée aux deux faces du flan par introduction d'un gaz par les entrées 12, 14. La figure 3 représente les courbes 24 et 26 de variation de la pression en fonction du temps pour le cte du flan qui est tourné vers la surface 16 et pour l'autre côté respectivement. Comme l'indique la figure 3, la pression augmente des deux côtés à peu près à la même vitesse si bien qu'une contrainte hydrostatique de compression est appliquée au flan 6. Lorsque la contrainte atteinte suffit pour éviter la formation des cavités, la pression 20 (figure 1) à la face inférieure du flan 6 est maintenue à une valeur pratiquement constante comme indiqué par la courbe 24. Cette contre-pression peut être estimée à l'aide des calculs indiqués dans la suite du présent mémoire, ou elle peut être déterminée expérimentalement au cours d'essais réalisés à diverses contre-pressions, puis par sectionnement des pièces afin de déterminer l'apparition ou non des cavités. La pression 18 (figure 1) appliquée à la face supérieure du flan 6 augmente comme indiqué par la courbe 26 de la figure 3. Cette courbe 26 correspond à la forme des courbes connues donnant une sensibilité à la vitesse de déformation de valeur efficace, et elle permet le formage des pièces comme indiqué sur la figure 2. Cependant, cette courbe 26, si on la compare à la courbe 22 utilisée de fa çon classique, est décalée dans son ensemble d'une valeur correspondant à la pression de la courbe 24. La contre-pression minimale doit suffire pour que la contrainte hydrostatique réduite de tension ou accrue de compression agissant sur les cavités soit suffisante pour que les cavités ne puissent pas se former. Cette contrainte minimale dépend de la matière formée et des conditions de formage, et on peut la déterminer empiriquement. On peut aussi l'estimer d'après les principes du mécanisme applicable de fluage et de formation de cavités, par exemple le principe de croissance par diffusion ou le principe d'application d'une contrainte maximale de tension. Suivant le principe de la croissance par diffusion, la contre-pression minimale peut être calculée d'après la théorie de formation des cavités. Une condition nécessaire à la stabilité d'une cavité à température élevée est représentée par la relation - P) 2 r (a ~ p) > 2y, ou P v a 2y dans laquelle a désigne la composante de contrainte hydrostatique de tension qui est imposée et agit sur la cavité ou le germe de la cavité, P est la composante de pression hydrostatique agissant sur la cavité ou son germe, y est l'énergie superficielle de la cavité et r est son rayon. Ainsi, lorsque la composante de pression hydrostatique (résultant de la contre-pression et de la pression directe) augmente, la dimension d'une cavité stable augmente et les cavités de plus petite dimension ne se forment pas ou sont éliminées. Comme la dimension de la cavité est souvent reliée à la dimension des particules (ou inclusions) qui se trouvent aux limites des grains, une pression hydrostatique peut être superposée afin que la dimension de stabilité des cavités soit supérieure à la dimension des particules, si bien que le déclenchement de la formation d'une cavité au cours de la déformation se trouve empêchée. La figure 4 représente l'état des contraintes calculées permettant la suppression des cavités dont la dimension est indiquée par le rayon, lors du formage avec une vitesse efficace de déformation e de 2.10#4s#1, avec une contrainte effica ce de formage af de 2,1.106Pa Les calculs correspondent à unesfeuille d'un alliage d'aluminium 7475 traité comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0.4 092 181 afin qu'il ait une fine structure granulaire convenant au formage à l'état superplastique. L'énergie superficielle estimée y des cavités est égale 1000 erg/cm21 la température de formage étant de 5150C.La contrainte de tension a1 dans le plan du flan est représentée par la courbe supérieure 28 et elle est reliée à la pression directe et à la contre-pression par la relation suivante: (P1 p 1 = t dans laquelle al représente la contrainte de tension dans le plan du flan, P1 la pression directe, P2 la contre-pression, plan 2 p le rayon de courbure de la partie non supportée de feuille, et t l'épaisseur de la feuille. La courbe inférieure 30 représente la contrainte correspondante a3 dans la direction de l'épaisseur du flan. Elle est égale à la contre-pression P2. Comme indiqué par la flèche 32, aucune contre-pression n'est nécessaire dans cet exemple pour des cavités dont le rayon est inférieur à 1,7 micron environ. Dans un second mode de réalisation de l'invention, le flan est formé par mise en oeuvre d'un procédé classique, et des cavités peuvent se former en conséquence. après la fin pratiquement du formage, une contrainte de compression postérieure est appliquée afin qu'elle crée un état de-pression hydrostatique dans la matière provoquant l'élimination des cavités. Cette pression postérieure ferme les cavités et assure la liaison par diffusion de leur surface. La figure 5 est un graphique représentant une courbe 33 de variation de la pression en fonction du temps, dans ce second mode de réalisation. Le flan est formé par application d'une pression directe par un gaz sur la face supérieure uniquement, selon un procédé connu tel que décrit précédemment. Cependant, la pression directe n'est pas supprimée lorsque la pièce a été formée (comme indiqué par la référence 34). Au contraire, cette pression est maintenue alors que la pièce formée est au contact de la surface 16 de formage afin qu'une pression postérieure 36 soit appliquée. Cette condition est représentée sur la figure 1 par la coupe en traits interrompus du flan 6. La pression directe, représentée par les flèches 38 en traits interrompus, crée une pression de réaction exercée par la surface 16 du moule comme indiqué par les flèches 40 en traits interrompus.Ainsi, une contre-pression est créée sans qu'un second gaz de mise en pression soit nécessaire. Bien que la figure 5 représente l'application d'une pression constante postérieure comme indiqué par la partie 36 de la courbe, la pression peut être accrue afin que le temps nécessaire à la fermeture des cavités soit raccourci. On peut déterminer la pression postérieure et le temps de maintien optimaux expérimentalement par des essais exécutés à plusieurs pressions et pendant plusieurs périodes et par sectionnement de la pièce afin que la combinaison qui supprime le plus efficacement les cavités soit déterminée. Dans un troisième mode de réalisation, les procédés des figures 3 et 5 sont combinés. La contre-pression 24 peut être appliquée pendant le formage afin que l'apparition de cavités soit réduite ; après le formage, la pression 26 peut être maintenue comme indiqué par le trait interrompu 27 afin que les cavités qui peuvent être formées se referment. La contre-pression 24 peut être maintenue pendantcettepé- riode ou elle peut être réduite étant donné que la réaction du moule donne la contre-pression nécessaire. Ce mode de realisation peut se révéler le plus rentable dans des applications dans lesquelles l'appareillage disponible ne peut pas exercer une contre-pression suffisante pour que les cavités soient totalement éliminées pendant l'opération de formage. On considère maintenant des exemples de mise en oeuvre du procédé de l'invention, appliqué au formage d'une boîte rectangulaire de 5 x 15 cm et 2,5 cm de profondeur. La matière est une feuille d'alliage d'aluminium 7475 de 1 mm d'épaisseur, traitée comme décrit selon le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n0 4 092 181 afin qu'elle possède une structure granulaire fine convenant au formage à l'état superplastique. EXEMPLE 1 On place la matière dans un moule et on la chauffe à 5150 C. La pression directe et la contre-pression sont alors portées ensemble à 7.105 Pa. La contre-pression est maintenue à 7.105 Pa et la pression directe est élevée à une vitesse calculée afin qu'elle donne une vitesse de déformation C égale à 2.10 4 -1 égale à 2.10 s . Après le formage de la pièce, la pres- sion directe et la contre-pression sont réduites à la valeur ambiante et la pièce formée est retirée du moule. EXEMPLE 2 On place la pièce dans un moule et on la chauffe à 5150C. La pression directe et la contre-pression sont alors élevées ensemble à 2,1.106 Pa. La contre-pression est mainte 6 nue à 2,1.10 Pa, équivalant à la contrainte de fluage de la matière pour la vitesse de déformation utilisée. La pression directe est alors élevée à une vitesse calculée afin qu'elle donne une vitesse de déformation égale à 2.10 4s 1. Lorsque la pièce a été formée, la pression directe et la contre-pression sont réduites à la valeur ambiante et la pièce formée est retirée du moule. La pièce résultante est convenablement formée et une évaluation métallographique ultérieure indique l'absence de cavités, même dans les coins qui ont subi un formage sévère. Des pièces formées antérieurement dans des conditions analogues mais sans la contre-pression présentent des cavités importantes. 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. Par exemple, une pression directe peut être appliquée pour le formage d'un flan d'une manière classique.-Cependant, avant la fin du formage, une contre-pression suffisante peut être appliquée afin qu'elle provoque la fermeture des cavités qui peuvent être formées pendant l'opération initiale de mise sous pression. La contre-pression est alors réduite et le formage est poursuivi avec la pression directe. Le cas échéant, la pression directe et la contre-pression peuveitêtre toutes deux accrues temporairement afin qu'une contrainte hydrostatique de compression suffisante soit appliquée et permette la fermeture des cavités avant la poursuite de l'opération de formage. La contre-pression peut être accrue et réduite périodiquement au cours du formage, si, dans des applications particulières, l'élimination des cavités indique qu'il s'agit du procédé le plus commode. REVENDICATIONS 1. Procédé de formage à l'état superplastique d'un flan d'une matière, caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'un flan (6) d'une matière qui présente une sensibilité à la vitesse de déformation ayant une valeur efficace, à une température de formage, la disposition du flan (6) dans un moule (2, 4) ayant une surface (16) de formage, en face de cette surface, le maintien du flan (6) à la température de formage afin que la matière présente ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, l'application d'une pression des deux côtés du flan (6), avec une valeur suffisante pour que des cavités ne puissent pas se former dans la matière, et l'augmentation de la pression appliquée du côté du flan (6) qui est le plus éloigné de la surface (7) de formage afin que la matière se déforme à une vitesse qui donne ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, si bien que le flan (6) s'allonge vers la surface de formage et se forme contre celle-ci sans apparition de cavités. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression appliquée aux deux faces du flan (6) est au moins égale à a - 2y a étant la composante de la contrainte hydrostatique de tension imposée pendant l'opera- tion d'augmentation de la pression du côté du flan qui est le plus éloigné de la surface (16) de formage, Y est l'énergie superficielle de la cavité et r est le rayon des cavités, choisi à une valeur supérieure à la dimension des particules intergranulaires de la matière. 3. Procédé de suppression de cavités d'une pièce formée à l'état superplastique, caractérisé en ce qu'il comprend le chauffage de la pièce formée à l'état superplastique, à une température de formage, et l'application d'une pression par un fluide, di rectement des deux côtés de la pièce formée à l'état superplastique, de manière que les cavités de la pièce soient supprimées par déformation plastique et diffusion. 4. Procédé de formage d'un flan d'une matière à l'état superplastique, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un flan (10) d'une matière ayant une sensibilité à la vitesse de déformation de valeur efficace à une température de formage, la disposition du flan (6) dans un moule (2, 4) ayant une surface (16) de formage, en face de cette surface, le maintien du flan (6) à la température de formage afin que la matière présente ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, l'application d'une pression du côté du flan (6) qui est le plus éloigné de la surface (16) de formage, à une valeur suffisante pour que la matière se déforme à une vitesse qui correspond à ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, si bien que la matière s'étire vers la surface de formage et se forme contre celle- ci, et l'application d'une pression du côté du flan (6) qui est le plus éloigné de la surface de formage lorsque le flan a été formé contre cette surface, de manière que les cavités présentes dans la matière soient supprimées par déformation plastique et diffusion. 5. Procédé de formage à l'état superplastique d'un flan d'une matière, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un flan (6) d'une matière qui présente une sensibilité à la vitesse de déformation ayant une valeur efficace à une température de formage, la disposition du flan (6) dans un moule (2, 4) ayant une surface (16) de formage, en face de cette surface, le maintien du flan (6) àla température de formage afin que la matière présente ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, l'application d'une pression des deux côtés du flan (6) avec des valeurs suffisantes pour que la forma tion de la cavité dans la matière soit retardée, l'augmentation de la pression du côté du flan (6) qui est le plus éloigné de la surface de formage afin que la matière soit déformée à une vitesse correspondant à ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, si bien que la matière s'allonge vers la surface de formage (16) et se forme contre celle-ci, et le maintien de la pression du côté du flan (6) le plus éloigné de la surface de formage après le formage de ce flan contre cette surface, de manière que la matière soit comprimée sous l'action de cette pression et de la réaction exercée par le moule, et que les cavités de la matière sont supprimées. 6. Procédé de formage d'un flan de matière à l'état superplastique, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un flan (6) d'une matière qui présente une valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation à une température de formage, la disposition du flan (6) dans un moule (2, 4) ayant une surface (16) de formage, en face de cette surface, le maintien du flan (6) à la température de formage afin que la matière présente ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, l'application d'une pression directe sur le côté du flan (6) qui est le plus éloigné de la surface de formage, avec une valeur suffisante pour que la matière se déforme avec une vitesse qui correspond à ladite valeur efficace de la sensibilité à la vitesse de déformation, si bien que la matière s'allonge vers la surface de formage, après le début de l'allongement de la matière, l'application d'une contre-pression égale ou inférieure à la pression de formage, du côté du flan (6) qui est tourné vers la surface de formage afin que les cavités présentes dans la matière soient supprimées, et la réduction de la contre-pression alors que la pression directe continue à être appliquée, jusqu'à ce que la matière se forme contre la surface (16) de formage. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'application d'une pression directe comprend l'élévation de la pression directe pendant l'application d'une contre-pression, puis la réduction de la pression directe lorsque la contre-pression est réduite. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les opérations d'application et de réduction d'une contre-pression sont effectuées périodiquement pendant l'allongement de la matière.