Brevet FR2946363A1 — publié le 20101210

L'invention est relative à une nouvelle composition d'alliage de titane à caractéristiques mécaniques élevées pour la fabrication de pièces à hautes performances notamment pour l'industrie aéronautique, comme des éléments de trains d'atterrissage ou des disques de turbines. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION On connaît des alliages de titane de type quasi béta comportant une proportion importante d'aluminium ainsi que de l'oxygène. Un exemple d'un tel alliage est donné par le document EP1302555 qui décrit un alliage de titane présentant la composition suivante, exprimée en pourcentage de la masse totale : Aluminium 4,0 - 6,0 Vanadium 4,5 - 6,0 Molybdène 4,5-6,0 Chrome 2,0-3,6 Fer 0,2-0,5 Zirconium 0,7-2,0 Oxygène pas plus de 0,2 Azote pas plus de 0,05 Titane le complément De tels alliages sont destinés à être forgés à chaud, à une température proche de la température de transition polymorphique (3-*a+(3, puis être soumis à un traitement thermique lors duquel on chauffe la pièce à une température proche de la température de température de transition polymorphique (3-*a+(3 pour faire apparaître une phase beta cohabitant avec une phase alpha, suivi d'un refroidissement étagé et d'un vieillissement de la pièce. Le but d'un tel traitement est d'obtenir une proportion importante de phase béta dans la pièce finie, afin de conférer à celle-ci grande résistance mécanique. A cet égard, les éléments tels que le vanadium, le molybdène, le chrome ou le fer contribuent à stabiliser la phase béta lors du refroidissement de la pièce, ce qui permet de figer une partie importante de l'alliage dans cette phase. Cependant, la promotion de la phase béta se fait généralement au détriment de la phase alpha, (représentant typiquement 60 à 70% de la masse d'une pièce réalisée dans cet alliage) qui favorise quant à elle la ténacité de la pièce. Pour diminuer cet inconvénient, une proportion non négligeable de zirconium a été ajoutée à la composition pour favoriser la stabilisation de la phase alpha lors du refroidissement, en formant des solutions solides avec le titane alpha duquel il est relativement proche en densité et température de fusion. L'utilisation d'une telle composition et la mise en oeuvre de procédés de forgeage et de traitement thermique adéquats (notamment un refroidissement favorisant la solution solide précitée) permet la production de pièces massives en titane présentant un compromis intéressant entre ténacité et résistance mécanique. OBJET DE L'INVENTION L'invention vise à proposer une nouvelle composition d'alliage de titane pouvant potentiellement permettre d'obtenir de meilleures caractéristiques mécaniques. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un alliage de titane avec au moins 4% en masse d'aluminium et au moins 0,1% en masse d'oxygène, l'alliage comportant en outre au moins un élément choisi parmi le vanadium, le molybdène, le chrome ou le fer. Selon l'invention, l'alliage de titane comporte également du hafnium dans une proportion massique d'au moins 0,1%. 3 Les inventeurs supposent qu'une augmentation de la proportion d'aluminium et/ou d'oxygène par rapport aux compositions connues conduit à une augmentation de la température de transition polymorphique R-*a+R, ce qui permettrait un forgeage à plus haute température, ce qui contribuerait donc à renforcer les caractéristiques de résistance mécanique de la pièce finale. Cependant, les inventeurs soupçonnent que la présence augmentée d'aluminium et d'oxygène dans les alliages précités risque d'induire des phénomènes de ségrégation des composants constitutifs de l'alliage lors de son refroidissement, qui peuvent rendre la matière plus fragile. En particulier, l'aluminium et l'oxygène semblent être la cause de précipitations de phases oxydantes qui ont un effet négatif sur les performances mécaniques finales de la pièce. Pour diminuer ces inconvénients, les inventeurs proposent d'accompagner cette augmentation d'un apport significatif de hafnium, qui présente une affinité particulièrement poussée avec l'oxygène et qui semble faciliter la précipitation des phases de l'alliage en se liant à l'oxygène, en évitant ainsi la formation de phases oxydantes d'aluminium et de titane, de sorte que l'effet négatif lié à l'augmentation des proportions d'aluminium et d'oxygène est sinon supprimé, du moins nettement atténué. L'utilisation de hafnium présente plusieurs avantages. Outre l'affinité précitée avec l'oxygène, le hafnium a une structure électronique comparable à celle du zirconium. Les inventeurs supposent donc qu'il pourrait, de la même façon que le zirconium, favoriser la stabilisation de la phase alpha du titane par formation de solutions solides avec celle-ci. De plus, l'hafnium présente une solubilité continue dans la phase béta, et une miscibilité complète dans la phase alpha du titane. 4 Enfin, il est présent à l'état de traces dans certains minerais de titane. Il semble donc avantageux de ne pas chercher à éliminer ce composant du minerai, mais au contraire d'enrichir ce minerai en hafnium pour obtenir la proportion préconisée selon l'invention. Avantageusement, un tel alliage est soumis après forgeage au traitement thermique suivant : - Chauffage jusqu'à une température dans un intervalle de [30-70] degrés Celsius en dessous de la température de transition polymorphiqueR-*a+R; - Palier à cette température pendant 2 à 5 heures ; - Refroidissement, de préférence à l'air; - Palier à une température dans l'intervalle [540- 600] degrés Celsius pendant 8 à 16 heures ; - Refroidissement, de préférence à l'air. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION A titre d'exemple de réalisation, on donne ici trois compositions types, et dans chacune d'elles, un exemple est précisé. Les proportions indiquées sont des proportions massiques. Composition 1 Composition 2 Composition 3 Aluminium 4,0 - 7,5 % 4,0 - 7,5% 4,0 - 7,5% Vanadium 3,5 - 5,5% 3,5 - 5,5% 3,5 - 5,5% Molybdène 4,5-7,5% 4,5-7,5% 4,5-7,5% Chrome 1,8-3,6% 1,8-3,6% 1,8-3,6% Fer 0,2-0,5% 0,2-0,5% 0,2-0,5% Hafnium 0,1-1,1% 0,1-0,7% 0,1-0,7% Zirconium -- 0,1-0,7%* 0,1-0,7%* Silicium -- -- 0,05-0,25% Oxygène 0,1-0,3% 0,1-0,3% 0,1-0,3% Carbone 0,01-0,2% 0,01-0,2% 0,01-0,2% Titane Complément Complément Complément * La proportion massique cumulée du hafnium et du zirconium reste inférieure à 1%. On choisit en particulier l'alliage suivant, 5 conforme à la composition n°1 : Aluminium 7,0% Vanadium 4,5% Molybdène 6,5% Chrome 3,0% Fer 0,4% Hafnium 0,9% Oxygène 0,3% Carbone 0,05% Titane le complément On remarquera la proportion élevée d'aluminium (7,0%, comparée aux 5% habituellement rencontrés dans les alliages connus comme le Ti 5-5-5-3 ou le VT22) ainsi que la proportion élevée d'oxygène (0,3%, comparée à moins de 10 0,2% dans le Ti 5-5-5-3). On remarquera également la proportion massique de molybdène relativement élevée, qui permet une stabilisation encore plus poussée de la phase béta. On remarquera enfin que la proportion massique de hafnium est choisie pour être ici environ égale à trois fois la proportion massique d'oxygène. On choisit également l'alliage suivant, conforme à la composition n°2 . Aluminium 7,0% Vanadium 4,5% Molybdène 6,5% Chrome 3,0% Fer 0,4% Hafnium 0,5% Zirconium 0,5% Oxygène 0,3% Carbone 0,05% Titane le complément On ajoute ainsi l'effet du zirconium qui, outre sa propension à stabiliser la phase alpha du titane, semble également présenter une affinité avec l'oxygène intéressante, de sorte que le zirconium agit de concert avec l'hafnium pour capter l'oxygène et ainsi éviter la précipitation de phases oxydantes d'aluminium et de titane. La présence simultanée de ces deux éléments semble en outre présenter un effet synergique, diminuant encore la ségrégation des espèces constitutives de l'alliage lors du refroidissement de l'alliage. On choisit enfin l'alliage suivant, conforme à la composition n°3 . Aluminium 7,0% Vanadium 4,5% Molybdène 6,5% Chrome 3,0% Fer 0,4% Hafnium 0,5% Zirconium 0,3% Silicium 0,15% Oxygène 0,3% Carbone 0,05% Titane le complément 7 Le silicium semble, bien qu'il ne soit pas dans la même colonne du tableau de Mendéleiev que le zirconium ou le hafnium, avoir également un effet bénéfique en contrariant la précipitation de phases oxydantes d'aluminium et de titane. A partir de ces alliages, il est proposé de fabriquer des produits semi-finis par forgeages successifs dans les zones (3, a+13, (3, a+(3 avec une déformation finale dans la zone a+f3. Le produit ainsi forgé est alors soumis au traitement thermique suivant : - Chauffage jusqu'à 790 degrés Celsius, - Palier à cette température pendant 3 heures ; - Refroidissement à l'air; - Palier à 560 degrés Celsius pendant 8 heures ; - Refroidissement à l'air. REVENDICATIONS1. Alliage de titane comportant, outre le titane en proportion massique majoritaire, au moins 4% en masse d'aluminium et au moins 0,1% en masse d'oxygène, l'alliage comportant en outre au moins un élément choisi parmi le vanadium, le molybdène, le chrome ou le fer, caractérisé en ce que l'alliage de titane comporte également du hafnium dans une proportion massique d'au moins 0,1%. 2. Alliage de titane selon la revendication 1, comportant au moins les éléments suivants, dans les proportions massiques indiquées : 20 - Aluminium - Vanadium - Molybdène - Chrome - Fer - Hafnium - Oxygène - Carbone 4,0 - 7,5% 3,5 - 5,5% 4,5-7,5% 1,8-3,6% 0,2-0,5% 0,1-0,7% 0,1-0,3% 0,01-0,2% 3. Alliage de titane selon la revendication 2, contenant en outre du zirconium dans une proportion massique comprise entre 0,1% et 0,7%, de sorte que la proportion massique cumulée du hafnium et du zirconium ne 25 dépasse pas 1%. 4. Alliage selon la revendication 3, contenant en outre du silicium dans une proportion massique comprise entre 0,05% et 0,25%. 5. Procédé de traitement thermique de produits 30 semi-finis réalisés en alliage de titane selon l'une des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes : - Chauffage jusqu'à une température dans un intervalle de [30-70] degrés Celsius en dessous de la 35 température de transition polymorphique(3-*a+(3de l'alliage,Palier à cette température pendant 2 à 5 heures ; Refroidissement; - Palier à une température dans l'intervalle [540-600] degrés Celsius pendant 8 à 16 heures Refroidissement.