Brevet FR2623523A1 — publié le 19890526

i 2623523 La présente invention concerne un procédé de traitement thermique et mécanique d'articles en alliage de titane-6A1- 2Sn-4Zr-6Mo (Ti-6246) en vue d'améliorer leurs propriétés de ténacité et de fatigue oligocyclique. Des alliages de titane sont largement utilisés dans les applications à hautes performances, telles que les moteurs à turbine à gaz. Pour chaque application il est nécessaire d'avoir un compromis différent entre les propriétés requises. Cependant dans le cas d'applications concernant un moteur à 0 turbine à gaz il existe une exigence commune en ce qui concerne de bonnes propriétés de fatigue oligocyclique combinées avec une ténacité élevée et de bonnes propriétés en traction. Une faible nucléation de fissures et de faibles vitesses de croissance des fissures sous l'effet de charges cycliques sont des facteurs particulièrement importants pour des applications rotatives comme cela est le cas des disques de turbine à gaz qui doivent être résistants à la fatigue et qui, dans le cas de dommages, doivent être également résistants à l'égard de la propagation des fissures. Si une 0 fissure doit se former, sa dimension limite avant une rupture rapide est déterminée par la valeur critique du facteur d'intensité de contrainte la "ténacité" du matériau. Plus cette valeur est élevée, plus le matériau est tolérant à l'égard des fissures. Pour des disques fonctionnant à des températures plus élevées, supérieures à 260 C, de bonne propriétés de fluage sont exigées conjointement avec une absence de dégradation des propriétés pendant des expositions de longue durée. L'alliage Ti-6A1-2Sn-4Zr-6Mo est potentiellement 0 attractif pour des applications concernant un moteur à turbine à gaz à cause ses bonnes propriétés en traction et de fatigue oligocyclique. Malheureusement jusqu'à présent cet alliage tel qu'il se présente après traitement de la manière conventionnelle, a affiché une ténacité relativement basse et il a montré une réduction notable des propriétés de fatigue oligocyclique lorsque la surface de l'article est endommagée même légèrement, c'est-àdire rayée. Ces inconvénients ont limité l'utilisation de cet alliage dans des moteurs à turbine à gaz. Suivant l'invention des articles en alliage Ti-6246 ayant des propriétés améliorées sont produits en forgeant d'une manière isotherme le matériau de départ dans le domaine de phase bêta, en appliquant un traitement de formation de solution solide à l'article forgé dans le domaine à deux phases (alpha plus bêta), en le refroidissant à une vitesse contrôlée et en effectuant un traitement de précipitation à une température d'environ 593C. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma montrant la relation entre l'épaisseur de la section et la technique de refroidissement. La figure 2 est une photomicrographie d'un matériau traité suivant l'invention. La figure 3 est un diagrame illustrant la variation des propriétés en traction d'un matériau traité suivant l'invention et d'un matériau traité suivant la technique antérieure. La figure 4 est un diagrame illustrant des valeurs de la ténacité pour des matériaux traités suivant l'invention et des matériaux traités suivant la technique antérieure. L'invention concerne un procédé de traitement thermique et mécanique destiné à améliorer certaines propriétés de l'alliage T-6246 sans réduire indûment d'autres propriétés importantes. Des limites de la composition dans le commerce pour l'alliage Ti-6246 s6nt données dans le tableau I. TABLEAU I (Pourcentage en poids) A1 5,5 - 6,5 Zr 3,5 - 4,5 Sn 1,75 - 2,25 Mo 5,5 - 6,5 le reste étant constitué essentiellement de titane. Cet alliage peut être traité de manière à améliorer sa tenacité et à réduire sa sensibilité en fatigue oligocyclique à l'égard de défauts de surface, et ce de la manière suivante. La première étape consiste à forger le matériau dans le domaine de la phase bêta. Dans cet alliage la transition bêta apparaît à une température d'environ 943 C et l'opération de forgeage est par conséquent exécutée au-dessus de cette température mais de préférence à l'intérieur d'une gamme de température d'environ 55 C au-dessus de la transition bêta. Toutes les parties de l'article en alliage doivent demeurer au-dessus de la température de transition bêta pendant le forgeage. Ceci nécessite l'utilisation de matrices chauffées à une température qui empêche le refroidissement de l'alliage à une température inférieure à la transition bêta, pendant le forgeage. Les matrices sont de préférence chauffées à une température supérieure à la transition bêta et elles sont également chauffées de préférence à une température s'écartant d'au plus environ 280C de la température de forgeage désirée. Pour obtenir les résultats désirés l'opération de forgeage doit produire une réduction de surface d!au moins 50% en particulier dans les zones partielles critiques. L'article forgé est ensuite soumis à un traitement de formation de solution solide à une température inférieure à la transition bêta, de préférence entre environ 8880C et environ 943 C, c'est-à-dire à une température inférieure à la transition bêta mais s'écartant de celle-ci d'au plus 55 C environ. La période du traitement de formation de solution solide s'étend généralement d'environ 1 heure à environ 4 heures. Une étape significative dans le procédé est l'étape de refroidissement qui fait suite au traitement de formation de solution solide. La vitesse de refroidissement doit être contrôlée afin d'obtenir le compromis approprié entre les propriétés de résistance et les propriétés de ténacité/ductilité. La vitesse de refroidissement est importante à partir de la température du traitement de formation de solution solide jusqu'à environ 371 C, température à laquelle l'alliage devient stable thermiquement. La partie la plus critique de cette gamme de température est celle qui est comprise entre la température du traitement de formation de solution solide et environ 760 C. Divers procédés sont disponibles, pour assurer la vitesse de refroidissement nécessaire, en fonction de la dimension de l'article, de sa masse et de sa géométrie. Les techniques de refroidissement mises en pratique dans l'industrie vont du refroidissement à l'air (à vitesse lente) à la trempe à l'eau (à vitesse rapide). Pour une technique de refroidissement particulière un article à section mince (faible masse) se refroidit plus rapidement qu'un article à section épaisse (masse élevée) Pour une technique de refroidissement particulière l'épaisseur de la section est l'élément principal déterminant la vitesse de refroidissement. Ainsi pour obtenir une vitesse de refroidissement spécifique dans la gamme nécessaire pour l'invention la dimension de la section de l'article doit être coordonnée avec la technique de refroidissement. La figure 2 est un schéma illustrant les techniques de refroidissement appropriées pour différentes épaisseurs de section. D Si on se réfère à la figure 2, on voit que des articles de section mince, d'épaisseur inférieure à environ 2,54 cm, peuvent être refroidis à la vitesse nécessaire par un refroidissement à l'air. Des sections plus épaisses, ayant une épaisseur allant jusqu'à environ 15, 2cm, peuvent être refroidies, à travers la plage de température critique, à une vitesse appropriée, en les transférant directement, à partir du four de traitement de formation de solution solide dans un bain de sel. Les éléments à section relativement mince, d'épaisseur de l'ordre 0 de 2, 5 à 5,1 cm, sont soumis à la vitesse de refroidissement désirée dans un bain de sel à haute température, de l'ordre de 538 C à 760 C, tandis que des éléments à section relativement épaisse, de l'ordre de 10,1 à 15,2 cm, sont soumis à la vitesse de refroidissement désiré dans un bain de sel à basse température, de l'ordre de 177 C à 316 C. Pour des sections plus épaisses allant d'environ 10,1 à 20,3 cm, on peut utiliser une trempe à l'huile. Une variante du procédé convenant pour des articles de section très épaisse (supérieure à environ 15,2 cm) consiste à O leur appliquer une trempe très agressive, par exemple dans l'eau, et à les réchauffer ensuite dans la gamme de température allant de 816 C à 871 C pendant une période de temps allant de 1 à 4 heures. Ceci constitue la technique de refroidissement la plus agressive et cette technique peut s'appliquer aux articles de section épaisse. L'objectif de la vitesse de refroidissement peut être spécifié comme étant une vitesse de refroidissement du métal moyenne effective qui est approximativement égale à celle subie par une section ayant une épaisseur de 0,63 à 2,54 cm refroidie dans de l'air calme. Pour des articles d'épaisseur variable la technique de refroidissement est choisie de manière à assurer la vitesse de refroidissement suivant l'invention (et par conséquent les propriétés de l'invention) dans la portion de l'article qui exige les meilleures propriétés. L'homme du métier comprendra que ces variantes, en particulier l'agitation des fluides réfrigérants, peuvent être utilisées pour modifier la vitesse de refroidissement. Egalement la vitesse de refroidissement d'un bain d'eau peut être modifiée par adjonction à ce bain d'un sel et d'huile solubles. Ces variantes ainsi que d'autres entrent dans le cadre de l'invention. Après l'étape de refroidissement et indépendamment de la variante utilisée, l'article est soumis à un traitement de précipitation à une température d'environ 593 C (c'est-à-dire allant de 538 C à 649 C) pendant une période de temps allant d'environ 2 heures à environ 16 heures. Le forgeage à une température supérieure à la transition bêta se traduit, lors du refroidissement subséquent, par une morphologie de la phase alpha à fines aiguilles en "tressage de panier". Il est bien connu que cette morphologie se traduit par une résistance accrue des alliages de titane qui est accompagnée habituellement de pertes en ce qui concerne la fatigue oligocyclique et la ductilité. Le procédé de traitement thermique décrit se traduit par une résistance accrue sans entrainer une perte importante la fatigue oligocyclique. Le traitement de formation de solution solide d'alliages de titane alpha + bêta à une température proche mais toutefois inférieure à la température de transformation augmente la quantité de la phase bêta présente tout en 0 limitant la croissance des grains qui apparaitrait rapidement au-dessus de la transition bêta. L'augmentation de la quantité de la phase bêta provoque un accroissement de la résistance de l'alliage. La clé pour obtenir le compromis désiré entre les propriétés de l'alliage est le traitement faisant suite au traitement de formation de solution solide, principalement le procédé de refroidissement au cours duquel on obtient des quantités de phases bêta, martensite et alpha métâstables. En outre la morphologie de la phase alpha transformée est également établie pendant ce traitement. Pour avoir une >10 résistance optimale il est nécessaire d'avoir un ensemble grossier de plaquettes alpha dans un réseau de colonie ou de Widmanstatten ("tressage de panier") comme il est représenté sur la figure 2. Ceci est obtenu en contrôlant la vitesse de refroidissement, par refroidissement à l'air, ou bien, dans le cas d'articles à géométrie complexe, par transformation et croissance d'une manière isothermique dans un sel fondu ou bien dans un four conventionnel dans la gamme de température de 816eC à 899 C, après une trempe à l'eau. Pendant cette étape la décomposition de toute quantité restante de martensite est réalisée. Le traitement de précipitation se traduit par la formation d'un réseau de très fines plaquettes alpha dans les régions bêta. Le tableau II indique les propriétés en traction à différentes températures pour un matériau à section mince traité suivant la forme d'exécution de l'invention à refroidissement à l'air. Les valeurs entre parenthèses sont des valeurs relatives à un matériau Ti-6246 traité de la manière habituelle. On peut voir que les propriétés à la traction obtenues par le procédé suivant l'invention sont seulement légèrement inférieures aux propriétés des matériaux traités de la manière conventionnelle. Les tableaux III et IV indiquent les propriétés en traction d'un alliage Ti-6246 traité respectivement avec un refroidissement par trempe dans un bain de sel et par refroidissement par trempe dans l'eau plus réchauffage, les valeurs correspondant à un matériau traité de la manière conventionnelle étant indiquées entre parenthèses. On peut voir que les propriétés de fluage du matériau traité suivant l'invention sont comparables à celles du matériau traité suivant la technique antérieure. Les tableaux II, III, IV donnent également des valeurs typiques pour la tenacité, à la température ambiante, de l'alliage Ti-6246 traité suivant l'invention, et là encore les valeurs correspondant à un matériau traité de la manière conventionnelle sont indiquées entre parenthèses. On peut voir ici que les valeurs de la ténacité à la température ambiante, dans le cas de la présente invention, sont notablement plus élevées que celles obtenues avec le traitement suivant la technique antérieure. Les tableaux II et IV montrent respectivement que les matériaux traités suivant l'invention montrent respectivement des comportements au fluage pratiquement équivalent et notablement accrû par rapport aux matériaux traités de la manière conventionnelle. Un autre alliage de titane largement utilisé est l'alliage Ti-6242 (Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo). Cet alliage est actuellement plus largement utilisé que l'alliage Ti-6246 dans des applications de turbine à gaz rotative parce qu'il fournit un meilleur compromis entre la ténacité et les propriétés à en traction que l'alliage Ti-6246 traité suivant la technique antérieure. La figure 3 compare les propriétés en traction, en 0 fonction de la température, pour l'alliage Ti-6246 traité suivant l'invention et pour l'alliage Ti-6242. On peut voir, en ce qui concerne la résistance, que le matériau traité suivant l'invention est plus résistant que l'alliage Ti6242 mais qu'il présente un allongement moindre. La figure 4 est un diagrame montrant la variation de la ténacité de l'alliage Ti- 6246 traité suivant l'invention et de l'alliage Ti-6242 soumis à deux procédés différents. On peut voir que le matériau traité suivant l'invention a une valeur de ténacité plus élevée que l'alliage Ti-6242 et on peut voir également que 0 l'étape de trempe au moyen d'un bain de sel dont il a été question précédemment; en tant que partie de la présente invention, peut donner des valeurs de la ténacité plus élevées qu'un simple procédé de refroidissement à l'air. En ce qui concerne le fluage dans le temps, l'alliage Ti-6242 soumis à un procédé conventionnel et testé à une température de 427 C et sous une pression de 448MPa, subit un fluage de 0, 1% en 55 heures environ tandis que l'alliage Ti-6246 traité suivant l'invention exige environ 120 heures pour subir la même amplitude de fluage. Lors d'un essai de fatigue un alliage Ti-6242 traité de la manière conventionnelle a présenté des défauts après un nombre de cycles allant de lx104 à 4x104 alors que le matériau traité suivant l'invention n'a présenté aucun signe de défaillence après 3x105 cycles. Ainsi le procédé suivant l'invention constitue un procédé qui améliore certaines propriétés mécaniques de l'alliage Ti-6246 sans réduire indument d'autes propriétés importantes. L'alliage Ti-6246 traité suivant l'invention présente des propriétés qui sont généralement meilleures que celles de l'alliage Ti-6242. TABLEAU Il ReFroidissement à l'air (Les valeurs entre parenthèses concernent la technique antérieure) Propriétés en traction Tempéerature 0,2% Limite Charge de Allonqement % d'essai ( C) élastique (YS) rupture (UIS) (MPa) (MPa) ambiante 1000 (1068) 1153,5 ( 1171,3) 9,5 (16) 316 724,6 (NA) - 930,8 (NA) 10,5 (NA) 427 705,3 (689,5) 939,2 (61,3) 13,5 (18) 482 666,7 (NA) 884,6 (NA) 16,0 (NA) Fluage à 427 C / 448,1 MP. Heures pour arriver à un allongement de O,1% 120 (129). Ténacité à la température ambiante KIC, MPa. cm 657 (317,5 - 405,1). 13- TABLEAU 111 Trempe au sel- (Les valeurs entre parenthèses concernent le technique antérieure) Propriétés en traction Température Trempe au 0,2X Limite herge de rupture Allongement d'essai(oC) sel(OC) élestique(MPa) (MPa) ambiante 760 976,J (1068B7) 112215 (1172,1) 1310 (16) 316 760 697,7 (NA) 916,3 (NA) 14I8 (NA) ambiante 704 939,0 (1068,7) 1076;9 (1172;1) 14,2 (16) 316 704 681,9 (NA) 86617 (NA) Ténacité à la température ambiante. Température de trempe au sel( C) K1C, MPa. cm2 760 717,2 (317,5 - 405,1) 704 773,0 (317,5 - 405,1) TABLEAU 1V Trempe à l'eau et réchauffage (Les valeurs entre parenthèses concernent la technique antérieure) Propriétés en traction Température Température de 0,2% Limite Charge de Allon - d'essai (OC) réchauffage( C) élastique(MPa) rupture (MPa) gement % ambiante 816 999,7 (1068.7) 1130,7 (1172-,1) 100tO (16) ambiante 871 999, 7 (1068.7) 111.6 (1172,1) 10,U (16) smbiante 899 1006;6 (1068.7) 11213 (1172,1) 1,0 (16) Teénacité à la température ambiante Température K C, MPa.cmi de réchaurfage 816 722,7 (317r5 - 405,1) 871 777,45 (317,5 - 405,1) 899 788,4 (317;5 - 405 1) Fluage à 427 C / 448,1 MPa, heures pour arriver à un allongement de 0,1%. Température de réchauffsge (OC) 816 360 (120) 871 200 (120) 904 370 (120) REVENDICATIONS 1.- Procédé de traitement thermique d'un alliage de titane Ti-6246, présentant une transition bêta à environ 943 C, afin d'améliorer ses propriétés de ténacité et de fatigue oligocyclique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) forger à chaud en matrice l'alliage au-dessus de la transition bêta; b) effectuer un traitement de formation de solution solide sur l'alliage forgé à une température inférieure d'au plus 550C à la transition bêta; c) refroidir l'alliage forgé à une vitesse équivalente à celle obtenue en refroidissant une section d'épaisseur allant de 0,63 à 2,54cm dans de l'air calme; et d) effectuer un traitement' de précipitation de l'alliage forgé à une température allant de 5930C à 649oC pendant une période de temps allant de 2 à 16 heures. 2.- Procédé de traitement thermique d'un alliage de titane Ti-6246, présentant une transition bêta à environ 943 C, afin d'améliorer ses propriétés de ténacité et de fatigue oligocyclique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à; a) forger à chaud en matrice l'alliage au-dessus de la transition bêta; b) effectuer un traitement de formation de solution solide sur l'alliage forgé à une température inférieure d'au plus 280C à la transistion bêta; c) tremper au sel l'alliage forgé dans un bain maintenu à une température allant de 204 C à 760 C et d) effectuer un traitement de précipitation de l'alliage forgé à une température allant de 593 C à 649 C pendant une période de temps allant de 2 à 16 heures. 3.- Procédé de traitement thermique d'un alliage de titane Ti-6246, présentant une transition bêta à environ 943 C, afin d'améliorer ses propriétés de ténacité et de fatigue oligocyclique,. caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) forger à chaud en matrice l'alliage au-dessus de la O transition bêta; b) effectuer un traitement de formation de solution solide sur l'alliage forgé à une température inférieure d'au plus 28 C à la transistion bêta; c) tremper à l'eau l'alliage forgé; d) chauffer l'alliage forgé à une température comprise entre environ 816 C et la température du traitement de formation de solution solide de l'étape b), pendant une période de temps allant de i à 10 heures, et; e) effectuer un traitement de précipitation de Ai l'alliage forgé à une température allant de 593 C à 649 C pendant une période de temps allant de 2 à 16 heures. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le forgeage entraîne une réduction de section dans un rapport d'au moins 2:1. S.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le forgeage est effectué à une température supérieure d'au plus 55 C environ à la transition bêta. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des 0 revendications précédentes caractérisé en ce que le traitement de formation de solution solide est effectué pendant une période de temps allant de 1 à 4 heures. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le traitement de précipitation est effectué pendant une période dee temps allant de 2 à 16 heures.