Brevet FR2622210A1 — publié le 19890428

La présente invention a pour objet un procédé perfectionné pour la production d'un tube sans soudure à partir d'un alliage de titane en phase bêta, de manière à permettre un traitement complet en solution du tube en alliage sans l'utilisation d'un four à vide. Les alliages de titane sont disponibles depuis la fin des années 1950, et l'utilisation d'un tube sans soudure produit au moyen de ces alliages, notamment dans l'industrie aérospatiale, a commencé dans les années 1960. Les avantages du remplacement de l'acier inoxydable, le métal utilisé précédemment, par des alliages de titane consistent en des économies de poids, un rapport accru résistance/poids et une résistance accrue à la corrosion. Actuellement, le titane est utilisé sous forme d'alliage pour permettre un ajustement précis de la réponse du métal à un traitement thermique. Un traitement thermique est utilisé pour diminuer les contraintes développées au cours de la fabrication, pour ajuster la résistance ou des propriétés particulières et pour obtenir une ductilité et une stabilité structurale optimales. Un alliage nouveau, Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1, tout d'abord mis au point dans les années 1970, a été disponible dans le commerce sous forme de feuillard laminé à froid au tout début des années 1980. Cet alliage est du type en phase bêta métastable; il est "doux" et extrêmement façonnable à froid une fois soumis à un traitement en solution. L'alliage peut présenter une large gamme de degrés de résistance fournie par un vieillissement à partir de l'état traité en solution ou de l'état travaillé à froid. Il est soudable et extrêmement résistant à la corrosion. Un tube hydraulique sans soudure en alliage de titane bêta, formé à partir de cet alliage, est intéressant dans l'industrie aérospatiale- car il peut être soumis à un traitement thermique à des degrés de résistance élevés par traitement en solution et vieillissement ou bien par traitement en solution, travaillé à froid et vieillisse- ment. Cependant, le tube utilisant cet alliage nouveau n'a pas été produit industriellement à ce jour, essentiellement en raison de problèmes rencontrés avec le recuit en solution entre les dégrossissages à froid et l'opération finale de recuit en solution. Ces procédés sont habituelle- ment mis en oeuvre sur un tube en alliage de titane dans un four sous vide poussé. L'art antérieur a choisi le recuit sous vide car il était considéré de manière générale que l'utilisation de fours à air atmosphérique affectait de manière néfaste les propriétés du produit fini. Un revêtement d'oxyde et une couche de diffusion se forment au cours du recuit à l'air. Ces revêtements diminuent les propriétés mécaniques du métal revêtu. L'art antérieur ne propose pas de moyen pour la formation d'un tube sans soudure en alliage de titane en phase bêta en raison de l'inaptitude des fours & vide habituellement disponibles à recevoir les longueurs de tubes rencontrées dans le commerce. Un traitement complet en solution de la plupart des alliages bêta, qui a pour résultat des propriétés optimales après vieillissement, nécessite le refroidissement du produit de la solution d'une température de 732 à 843'C à une température de 260 C en moins d'environ cinq (5) minutes, suivant la composi- tion. Cela ne peut être effectué pour les longueurs de tubes de 2,45 à 6, 10 m requises par les utilisateurs de tubes hydrauliques dans n'importe quel four & vide habituellement disponible, comprenant des fours utilisant des systèmes de refroidissement rapide par un gaz inerte. Le titane élémentaire existe sous deux formes géométriques. A des températures inférieures à 885'C, le titane possède une structure hexagonale très tassée, qui constitue la phase alpha. A des températures supérieures, il passe à la phase bêta, une géométrie cubique centrée. Les éléments d'alliage, ou stabilisants, modifient la température à laquelle l'état bêta commence à être stable. Dans un alliage en phase bêta, tel que celui utilisé dans la présente invention, l'exposition à des températures élevées choisies décompose la structure bêta, provoquant la précipitation d'une fine dispersion de phase alpha, qui augmente la résistance. Au cours de la mise en oeuvre du procédé de production de tubes, avant et après travail à chaud ou à froid, le métal subit plusieurs types de traitements thermiques, qui nécessitent un chauffage à des températures déterminées pendant des temps déterminés, puis un refroidi- ssement. Dans le cas du traitement en solution, le refroidissement doit également se produire en un temps déterminé pour conférer au métal les propriétés désirées. Ces traitements sont notamment: recuit de détente, traitement en solution (appelé parfois recuit en solution) et vieillissement. En outre, les impuretés et les produits d'oxydation doivent être éliminés après traitement thermique. Le recuit en solution sert à accroître la ténacité & la rupture et la ductilité à température ambiante. Les étapes intermédiaires de recuit en solution sont effectuées avant chaque passage dans un laminoir à pas de pèlerin, ou déformation à froid, du produit. Un traite- ment en solution ou bien un traitement en solution plus un travail à froid (passage dans un laminoir à pas de pèlerin) et un vieillissement ultérieur sont utilisés pour accroître le degré de résistance du métal. Par chauffage à la température de traitement en solution, 732 à 843'C, et refroidissement rapide, la phase bêta est stabilisée à température ambiante et, lors d'un vieillissement ultérieur à des températures inférieures, 427 & 677 C, la phase bêta se décompose en une structure plus résistante, due à une dispersion fine de phase alpha qui augmente la résistance de l'alliage. Apres recuit en solution, une trempe à l'eau, à l'air ou dans un four peut être utilisée, mais chacune aurait pour résultat des propriétés de traction différentes après vieillissement. La vitesse de refroidissement à partir des températures de recuit en solution est déter- minante. Si la mise en oeuvre du procédé est trop lente, il se produit alors une décomposition partielle de la phase bêta au cours du refroidissement, et le vieillissement ultérieur de la phase bêta n'a pas pour résultat l'effet de renforcement désiré; une ductilité optimale pour un passage ultérieur dans un laminoir à pas de pèlerin n'est pas atteinte et les propriétés de vieillissement du produit final sont imprévisibles et ont pour résultat des associa- tions de résistance et de ductilité inférieures à la normale. Le traitement complet en solution de l'alliage nécessite que le refroidissement s'effectue en approxima- tivement cinq minutes, suivant la composition de l'alliage. Pour éviter la formation d'une couche d'oxyde sur la surface du métal et un effet néfaste perceptible sur les propriétés finales du métal, la pratique consiste à effectuer le refroidissement dans un four à vide. Mal- heureusement, aucun four à vide, pour recevoir des tubes ayant une longueur supérieure à 2,45 m qui sont requis par l'industrie aéronautique, n'est disponible. Si la formation d'une couche d'oxyde ne tire pas à conséquence, une trempe efficace peut être effectuée au moyen des fours disponibles de traitement thermique à l'air, en utilisant de l'air, de l'eau, de la saumure ou des solutions de soude caustique, de la manière requise, pour parvenir à la vitesse de refroidissement exigée. Cela dépend de l'épaisseur en coupe transversale et du diamètre du tube. Les étapes finales du procédé sont le vieillis- sement et la stabilisation. Les traitements de stabilisa- tion diminuent les contraintes résiduelles indésirables provenant du façonnage à froid et du redressement. Cela maintient la stabilité de forme sans perte de tension de fluage. Le vieillissement consiste en un réchauffage à des températures intermédiaires, provoquant une décomposition partielle de la phase bêta pour accroître la résistance. Avant la présente invention, il n'existait aucune solution à ces problèmes. En conséquence, un tube en alliage de titane en phase bêta n'a pas été produit industriellement. Il est proposé un procédé de production d'un tube en alliage de titane en phase bêta métastable par une série d'étapes de passage en laminoir à pas de pèlerin suivies d'un recuit. Afin de venir à bout des problèmes rencontrés avec le four à vide, les recuits en solution pour toutes les opérations intermédiaires sont effectués dans un four à atmosphère d'air, suivis par un refroidisse- ment rapide à l'eau ou bien à l'air à-température ambiante afin de parvenir à un refroidissement en cinq (5) minutes. Au cours du recuit à l'air, un revêtement d'oxyde et une couche de diffusion d'oxygène en phase alpha se forme sur le tube. Après le refroidissement rapide, les tubes sont décalaminés dans un bain de sel chaud et décapés pour éliminer la couche superficielle contaminée par l'oxygène. Après l'opération finale de passage dans un laminoir à pas de pèlerin, il est préféré d'utiliser un vieillissement direct dans un four à vide. Par vieillissement direct sous vide du produit ayant été soumis à un passage dans un laminoir à pas de pèlerin, la contamination est évitée et le procédé de décapage est réduit au minimum. Cela produit également un produit à. grains plus fins, qui est plus sensible à une détection de défauts par un test aux ultrasons, et qui présente une réponse plus uniforme au vieillissement entre des lots, des piquées et des dimen- sions de tubes différents. Dans le procédé perfectionné, toutes les opérations intermédiaires de recuit sont effectuées sous une atmosphère d'air. Le procédé de la présente invention commence lorsque la matière initiale est nettoyée à la vapeur d'eau et passée dans un laminoir à pas de pèlerin. Puis le produit provenant du passage dans un laminoir à pas de pèlerin est dégraissé et de nouveau nettoyé à la vapeur d'eau. La première des étapes de recuit est alors effectuée sous une atmosphère d'air. Un refroidissement rapide est effectué, en utilisant de l'eau ou de l'air à température ambiante, de la manière requise, pour obtenir un refroidis- sement en cinq minutes. Après recuit, le métal est décalaminé dans un bain de sel chaud et décapé dans une solution d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique pour éliminer la couche superficielle contaminée par l'oxygène. Puis le produit est redressé, nettoyé et décapé de nouveau. Ce procédé se poursuit à plusieurs reprises jusqu'à l'obtention du diamètre et de l'épaisseur désirés du tube. Après avoir terminé la mise en oeuvre du procédé correspon- dant à cette description, le tube est nettoyé et soumis à un vieillissement final sous vide. Cela provoque une stabilisation et le vieillissement requis pour décomposer la phase bêta afin d'obtenir les propriétés désirées. Habituellement, le traitement final consiste en un traitement en solution, puis en un vieillissement. Ce procédé utilise un vieillissement direct dans un four à vide après passage dans un laminoir à pas de pèlerin. Pour éviter la contamination en surface qui se produirait si le traitement final en solution était effectué à l'air. Il élimine également l'hydrogène fixé au cours des opérations antérieures de recuit et de décapage. Il en résulte un produit à grains plus fins, qui est plus sensible à la détection des défauts par test aux ultrasons et qui présente une réponse plus uniforme au vieillissement d'un lot à l'autre, d'une piquée à l'autre et entre différentes dimensions de tubes. EXEMPLE Un tube a été produit à partir d'un alliage Ti- V-3Cr-3Sn-3A1. On est parti d'un tube ayant un diamètre extérieur de 8, 64cm, avec une épaisseur de paroi de 1,52cm et une longueur de 2,16m. Le tube a été traité conformément aux étapes suivantes pour produire un tube ayant un diamètre extérieur de 0,95cm, une épaisseur de paroi de 0,071cm et une longueur finale de 270,5m.- 1. Le tube est nettoyé à la vapeur d'eau. 2. Le tube est passé dans un laminoir à pas de pèlerin, a un diamètre extérieur de 6,03cm, une épaisseur de paroi de 0,838cm et une longueur de 5,34m. 3. Le tube est dégraissé, nettoyé avec une substance alcaline et de la vapeur d'eau. 4. Le tube est recuit pendant 15 minutes à 815 C sous atmosphère d'air, puis est refroidi. 5. Le tube est décalaminé, décapé et redressé. - 6. Le tube est nettoyé à la vapeur d'eau. 7. Le tube est passé dans un laminoir à pas de pèlerin, à un diamètre extérieur de 3,81cm, une épaisseur de paroi de 0,503cm et une longueur de 13,5m. 8. Le tube est dégraissé, nettoyé avec une substance alcaline et de la vapeur d'eau. 9. Le tube est recuit pendant 10 minutes à 8150C sous atmosphère d'air, puis est refroidi. 10. Le tube est décalaminé, décapé et redressé. 11. Le tube est nettoyé à la vapeur d'eau. 12. Le tube est passé dans un laminoir à pas de pèlerin, à un diamètre extérieur de 2,55cm, une épaisseur de paroi de 0,254cm et une longueur de 38,lm. 13. Le tube est dégraissé, nettoyé avec une substance alcaline et de la vapeur d'eau. 14. Le tube est recuit pendant 5 minutes à 815 C sous atmosphère d'air, puis est refroidi. 15. Le tube est décalaminé, décapé et redressé. 16. Le tube est nettoyé à la vapeur d'eau. 17. Le tube est passé dans un laminoir à pas de pèlerin, à un diamètre extérieur de 1,597cm, une épaisseur de paroi de 0,140cm et une longueur de 105,8m. 18. Le tube est dégraissé, nettoyé avec une substance alcaline et de la vapeur d'eau. 19. Le tube est recuit pendant 5 minutes à 815 C sous atmosphère d'air puis est refroidi. 20. Le tube est décalaminé, décapé et redressé. 21. Le tube est nettoyé à la vapeur d'eau. 22. Le tube est passé dans un laminoir à pas de pèlerin, à un diamètre extérieur de 0,963cm, une épaisseur de paroi de 0,081cm et une longueur de 295,3m. 23. Le tube est dégraissé, savonné et rincé. 24. Le tube est soumis & un décapage instantané. 25. Le tube est vieilli pendant 180 minutes à 649C dans un four à vide. 26. Le diamètre intérieur est soumis à un grenaillage pour préparer la surface à un décapage. 27. Le diamètre extérieur est légèrement poli pour préparer la surface au décapage. 28. 0,005cm sont enlevés du diamètre intérieur par décapage. 29. 0,005cm sont enlevés du diamètre extérieur par décapage. 30. Diamètre extérieur final: 0,9525cm Epaisseur finale de la paroi: 0, 0711cm Longueur finale: 270,6m 31. Le tube est examiné aux ultrasons et à l'oeil nu et sa résistance et sa qualité sont testées. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé perfectionné de formation de produits en alliage de titane en phase bêta métastable du type comprenant une série d'au moins une étape de façon- nage à froid, suivie par une étape de recuit, l'alliage étant rapidement refroidi après recuit pour parvenir à des propriétés physiques optimales, caractérisé en ce que le perfectionnement consiste en un recuit à l'air de l'alliage au cours d'au moins l'une des séries d'étapes de façonnage à froid et de recuit. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'utilisation d'un vieillissement direct sous vide au cours d'une étape finale de recuit. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les produits en alliage de titane en phase bêta sont des tubes. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage de titane en phase bêta répond à la formule Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1.