Brevet FR2715410A1 — publié le 19950728

Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane et pièce en alliage de titane ainsi fabriquée et produit semi- fini en alliage de titane. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane dans lequel on prend un produit en alliage de titane Bêta métastable, - on réalise un traitement de mise en solution à une température comprise entre 800 C et 900C. - on procède à un refroidissement - on effectue un traitement de vieillissement pour stabiliser la structure. et dans lequel avant le traitement de mise en solution ou entre le traitement de mise en solution et le traitement de vieillissement ou après le traitement de vieillissement,15 on forge, matrice ou usine le produit dans la géométrie définitive de la pièce. Dans les procédés classiques l'alliage en titane comporte très peu d'oxygène et d'azote car ils forment des oxydes et des nitrures de titane durs et fragiles pendant la20 mise en solution. Cette mise en solution est nécessaire pour obtenir une pièce homogène. Le refroidissement classique de la pièce de 900 C à 500 C après la mise en solution est de l'ordre de 50 C/h. Il s'ensuit que la quasi totalité de l'alliage de structure Bêta métastable est transformé en structure Bêta stable. Ensuite on procède à un traitement de vieillissement à une température de 500 à 600'C pendant environ 10 h. Le procédé selon l'invention permettant d'obtenir une pièce ayant des propriétés mécaniques nettement supérieures est caractérisé en ce que le produit semi-fini comporte 0,4 % à 0,7 % d'oxygène et O,1 % à 0,2 % d'azote la quantité oxygène plus azote n'étant pas supérieure à 0,8 % et en ce que le refroidissement est très rapide au moins 200'C/h et de préférence 400C/h, le traitement de vieillissement étant35 réalisé entre 550'C et 650'C pendant un temps compris entre minutes et 2 h suffisant pour transformer sensiblement la moitié du titane Bêta en Alpha Prime. Le refroidissement rapide de la pièce après la mise en solution ainsi que la présence d'oxygène et d'azote permettent de maintenir la structure de l'alliage en Bêta métastable. Puis lors du traitement de vieillissement qui dure beaucoup moins longtemps qu'habituellement on transforme à 60 % du Bêta métastable en structure Alpha Prime et le reste devenant du Bêta stable. La pièce en alliage de titane obtenue selon l'invention comporte ainsi 40 à 60 % d'alliage Bêta et le complément en alliage Alpha prime. La partie Bêta est très dure et la partie Alpha- Prime a une excellente ductibilité. Il s'agit d'une structure mixte, à matrice très ductile renforcée par des grains durs (Bêta). L'invention concerne également un procédé de fabrication de produit semi-fini en alliage de titane Bêta métastable comportant les opérations suivantes. - Elaboration d'un coulée en alliage de titane Bêta métastable. - Mise en lingot. - Elaboration sous forme de produit forgé en laminé puis réduction sous forme de billette barre ou rond, plat ou tôle. - traitement thermique de mise en solution à une température de 800' à 900'C caractérisé en ce que lors de l'élaboration de la coulée on ajoute de 0,4 à 0,7 % en poids30 d'oxygène et O,1 à 0,2 % la quantité d'azote totale oxygène + azote en poids n'étant pas supérieure à 0,8 % et en ce qu'on effectue après le traitement thermique de mise en solution un refroidissement rapide après le traitement thermique d'au moins 200 C/h.35. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre. Pour fabriquer une pièce en alliage de titane selon l'invention, on fabrique un produit semi-fin en alliage de titane Bêta métastable de la façon suivante. On élabore tout d'abord une coulée en alliage de titane Bêta métastable en ajoutant de 0,4 à 0,7 % d'oxygène et de O,1 à 0,2 % d'azote en poids, la somme d'oxygène et d'azote ne dépassant pa 0,8 %.. on fabrique un lingot puis on élabore le produit par forgeage laminage puis on le réduit sous forme de barre ou rond, plat ou tôle. On effectue ensuite un traitement thermique de mise en solution à une température de 800 C à 900'C. Puis on effectue un refroidissement très rapide de la température de mise en solution à 500'C avec une vitesse d'au moins 200'C/ h et de préférence d'au moins 400'C/h. Le produit semi-fini a toujours une structure Bêta métastable. Le produit semi-fini est ensuite forgé, matricé ou usiné dans sa géométrie définitive. Puis on effectue un traitement de vieillissement de 550 C à 650'C pendant une durée comprise entre 10 minutes et 2h. La durée étant choisie pour que 40 à 60 % de la structure Bêta métastable se transforme en Alpha prime, le reste de la structure devenant Bêta stable.25. La pièce finale en alliage de titane a une structure mixte, la partie Bêta étant très dure et la partie Alpha- prime ayant une excellente ductibilité. La matrice très ductile est ainsi renforcée par des lattes dures typiques des structures Bêta. En général le produit semi-fini est fabriqué par le fondeur ou le forgeron puis ensuite il est transporté chez l'utilisateur qui l'usine pour lui donner sa forme définitive. Le traitement de mise en solution peut être fait sur le produit semi-fini ou il peut être fait sur la pièce usinée. Le traitement de vieillissement pourrait être fait sur le produit semifini mais dans ce cas l'usinage est plus difficile. De préférence le traitement de vieillissement sera fait sur la pièce usinée. Le tableau ci-après compare les propriétés mécaniques d'un alliage de titane classique TA6V (Ti, 6 Al, 4V) qui est à structure mixte Alpha + Bêta et l'alliage selon l'invention ayant 40 à 60 % en structure Alpha prime et le reste en structure Bêta. UNITE Ti6Al 4V Bêta stable Alpha-Bêta + Alpha Prime Résistance Ruptur Rm MPa 900-1000 1 800-2 100 Limite élastique ReO.2 MPa 800-900 1 650-2000 Dureté HV 300-330 550-620 Allongement % 10- 12 8-10 Striction % > 30 > 20 Ténacité K1C MPaÂm 80 70 REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane dans lequel on prend un produit semi-fini en alliage de titane Bêta métastable,5 - on réalise un traitement de mise en solution à une température comprise entre 800'C et 900C. - on procède à un refroidissement - on effectue un traitement de vieillissement pour stabiliser la structure - et dans lequel avant le traitement de mise en solution ou entre le traitement de mise en solution et le traitement de vieillissement ou après le traitement de vieillissement, on forge, matrice ou usine le produit dans la géométrie définitive de la pièce.15 caractérisé en ce que le produit semi-fini comporte 0,4 % à 0,7 % d'oxygène et O,1 % à 0,2 % d'azote, la quantité oxygène plus azote n'étant pas supérieure à 0,8 % et en ce que le refroidissement est très rapide au moins 200 C/h et de préférence au moins 400'C/h, le traitement de vieillissement étant réalisé entre 5500C et 650C pendant un temps compris entre 10 minutes et 2 h suffisant pour transformer sensiblement la moitié du titane Bêta en Alpha Prime. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on forge matrice ou usine le produit dans sa géométrie définitive après le traitement de mise en solution mais avant le traitement de vieillissement. 3) Procédé de fabrication de produit semi-fini en alliage de titane Bêta métastable comportant les opérations suivantes. - Elaboration d'un coulée en alliage de titane Bêta métastable. - Mise en lingot. - Elaboration sous forme de produit forgé en laminé puis réduction sous forme de billette barre ou rond, plat ou tôle. - traitement thermique de mise en solution à une température de 800' à 900'C caractérisé en ce que lors de l'élaboration de la coulée on ajoute en poids la quantité d'oxygène plus azote n'étant pas supérieure à 0,8 % de 0,4 à5 0,7 % d'oxygène et 0,1 à 0,2 % d'azote et en ce qu'on effectue après le traitement thermique de mise en solution un refroidissement rapide après le traitement thermique d'au moins 200'C/h. 4) Pièce en alliage de titane caractérisée en ce qu'il comporte 40 à 60 % d'alliage Bêta et le complément en alliage Alpha prime.