Brevet FR2952559A1 — publié le 20110520

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'une pièce en alliage de titane. Elle concerne plus particulièrement un procédé comprenant N cycles successifs de traitement de forgeage à chaud, appelés chaudes, de cette pièce avec, pour chaque nème cycle de chaude, n variant de 1 à N, un chauffage de cette pièce à une nème température de chaude Tn jusqu'à ce que la température de cette pièce soit sensiblement homogène, une opération de forgeage de la pièce à la température de chaude Tn, suivi immédiatement par une trempe de la pièce jusqu'à la température ambiante. Les alliages de titane sont utilisés dans des applications de pointe, notamment les turbines aéronautiques, pour fabriquer certaines pièces soumises à des contraintes importantes et à des températures élevées. Le titane pur existe sous deux formes cristallographiques : la phase a, hexagonale, qui existe à température ambiante, et la phase [3, cubique centrée, qui existe au dessus de la température appelée f3-transus (ou transus [3), qui est égale à 883°C pour le titane pur. Sur les diagrammes de phase d'alliages de titane alliés à d'autres éléments, on retrouve la phase R au dessus de la température (3-transus, et en dessous de cette température un équilibre entre la phase [3 et la phase a dont les proportions dépendent des éléments d'alliage. La phase o(3 est constituée d'un mélange de phase a et de phase [3. Les éléments alliés ont notamment pour effet de faire varier la température f3-transus autour de 883°C. La mise au point d'un alliage de titane possédant les propriétés voulues consiste notamment à sélectionner des éléments d'alliage, et à choisir le traitement thermomécanique subi par l'alliage. Dans le cas des alliages af3 ou quasi a, tels que les alliages TA6V et Ti6242, l'alliage est donc en phase R au dessus de la température [3-transus, et respectivement en état d'équilibre entre phases a et [3 ou essentiellement a à température ambiante. Dans la description qui suit, on appelle "domaine 13" la zone de températures au-dessus de la température f3-transus, et "domaine c43" la zone de températures immédiatement en-dessous de la température [3-transus dans laquelle les phases a et [3 sont en équilibre. Un procédé actuel de fabrication de pièces forgées en alliages de titane comprend par exemple plusieurs cycles de chaudes (= cycles de traitement) qui sont tous réalisés dans le domaine af. Lors de chacun de ces cycles de chaudes, la température de traitement est donc inférieure à la température 13-transus). Idéalement, les températures de chaude de chacun des cycles doivent être sensiblement égales et de l'ordre de la température de superplasticité du titane. Par exemple cette température de superplasticité est de 940°C. En pratique, il est cependant difficile de régler de façon très précise et répétitive la température d'un four. De plus, la température au sein même d'un four est souvent variable, surtout si les dimensions du four sont importantes. Ainsi, pour une température cible de 940°C, la température réelle du four varie en général dans une plage de ±15°C autour de 940°C, de telle sorte que le forgeage dans un cycle de traitement à 940°C peut en réalité avoir lieu à une température de 925°C à 955°C. Cette dispersion aléatoire dans les températures entre les cycles de chaude conduit à des opérations de forgeage réalisées à des températures aléatoires réparties sur une plage. Il en résulte une dispersion de type gaussienne des tailles des nodules et des aiguilles de phase a qui se forment au sein d'un spécimen pendant les cycles de traitement. Cette dispersion se traduit par une baisse de la durée de vie des pièces en titane. En effet, la microstructure (y compris la taille des nodules de phase a) au sein d'une pièce doit être la plus homogène possible pour que la durée de vie de la pièce soit maximisée. De plus, cette dispersion conduit à une dispersion d'une pièce à une 25 autre, ce qui conduit à une baisse de la moyenne de la durée de vie au sein d'un lot de pièces. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer un procédé qui permette d'obtenir une pièce en alliage de titane possédant une structure plus homogène et de 30 meilleures propriétés mécaniques, notamment de tenue en fatigue. Ce but est atteint grâce au fait que le nombre total de cycles de chaudes N est au moins égal à 2, et en ce que (Tn+1 û Tn) 20°C avec Tn et Tn+1 inférieures à la température 33-transus de l'alliage pour tout n entier compris entre 1 et (N-1). 35 Grâce à ces dispositions, la microstructure fine en nodules et aiguilles de phase a obtenue à l'issue du premier cycle de forgeage est conservée lors des cycles de forgeages ultérieurs. Il se produit donc moins de dispersion dans les tailles des nodules et aiguilles de phase a, et donc moins de dispersion dans les durées de vie des pièces. De plus, la moyenne des durées de vie au sein d'un lot de pièces est maximisée. Avantageusement, le dernier cycle de traitement, c'est-à-dire le Nème cycle, est suivi d'un traitement de mise en solution à une température de mise en solution TR inférieure à la température 13-transus de l'alliage et supérieure à la première température de traitement T1, l'écart de température ATR = (TR û T1) entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 étant au moins égal à 25°C. Ce traitement de mise en solution permet d'améliorer davantage des performances mécaniques de la pièce traitée. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un diagramme schématique illustrant le procédé selon l'invention pour la fabrication d'une pièce en alliage de titane, la figure 2 montre des résultats d'essais en fatigue comparant les durées en vie entre des alliages traités avec le procédé selon l'art antérieur et des alliages traités avec le procédé selon l'invention. Le procédé selon l'invention s'applique en général à des lopins obtenus par découpage d'une billette elle-même obtenue par une ou plusieurs fusions d'un alliage de titane, la coulée de cet alliage en un lingot, puis un forgeage selon un cycle thermodynamique donné. Ainsi, les lopins vont subir des chaudes de forgeage qui vont les amener par étapes successives à une forme finale (par exemple la forme finale du brut de forge). Par exemple, le lingot est forgé dans le domaine alpha-beta. Par exemple, le diamètre de la billette est compris entre 180 cm et 330 cm. La figure 1 montre sur un diagramme les étapes du procédé selon l'invention pour la fabrication d'une pièce en alliage de titane. Sur ce diagramme, l'axe des abscisses représente le temps t croissant (sans échelle), et l'axe des ordonnées représente la température T en degrés Celsius, croissante depuis la température ambiante TA. La température de la pièce en fonction du temps t est représentée sur ce diagramme par une courbe. En général, le lopin est transformé au cours de N cycles de chaude. On décrit ci-dessous l'invention dans le cas où la pièce subit deux cycles de chaude (N=2). A l'étape 1, la pièce est chauffée à une première température de chaude Tl qui est inférieure à la température (3-transus pour cet alliage. La pièce est maintenue à cette première température de chaude Tl suffisamment longtemps pour que la température de la pièce soit sensiblement homogène et égale à la température de chaude Tl (étape 1-1). Ce maintien en température est illustré par le plateau à l'étape 1. Un premier forgeage de la pièce (étape 1-2) est réalisé dès que la température de la pièce est sensiblement homogène et égale à la température de chaude Tl, le plus tôt possible selon ce que permet le processus industriel. Une fois que la pièce a été soumise à cette première opération de forgeage dans le domaine a(3, la pièce subit une trempe (étape 1-3) depuis la première température de chaude Tl jusqu'à température ambiante TA. Avantageusement la trempe est effectuée à une vitesse comprise entre 50 et 150°C/min, les essais réalisés par les inventeurs ayant démontré que les caractéristiques mécaniques étaient le mieux optimisées à cette vitesse de trempe. De préférence il est effectué une trempe à eau. Après cette trempe, la pièce est chauffée à une deuxième température de chaude T2 inférieure à la température 13-transus (ce qui correspond à l'étape 2 sur la figure 1). A la température de chaude T2, l'alliage est donc dans le domaine a(3. Une fois la pièce chauffée à la température de chaude T2 (étape 2-1), on réalise l'opération de deuxième forgeage (étape 2-2). Ce deuxième forgeage est suivi d'une trempe (étape 2-3) jusqu'à température ambiante TA. Cette trempe permet d'optimiser les caractéristiques mécaniques de la pièce, et notamment sa limite d'élasticité. Selon l'invention, la deuxième température de chaude T2 est supérieure à la première température de chaude T1 d'un intervalle ATt = (T2 û T1) qui est au moins égal à 20°C. En effet, de façon surprenante, les inventeurs ont constaté une amélioration de 50% de la durée de vie en fatigue d'alliage en titane préparés selon le procédé de l'invention avec une première température de chaude et de forgeage T1 égale à 930°C, et une deuxième température de chaude et de forgeage T2 égale à 950°C, par rapport à des alliages préparés selon le procédé de l'art antérieur avec deux traitements et forgeages à sensiblement la même température de 940°C : la durée de vie en fatigue passe ainsi de 20.000 cycles en moyenne à 30.000 cycles en moyenne. Ces résultats de ces essais sont donnés en figure 2, où chaque point correspond pour un essai au nombre M de cycles à rupture en fonction de la pseudocontrainte alternée appliquée a. Les points référencés "O" correspondent aux alliages préparés selon le procédé de l'art antérieur, et les points référencés "O" correspondent aux alliages préparés selon le procédé de l'invention. On note la réduction de la dispersion et l'augmentation de la moyenne du nombre M de cycles avant rupture. Afin de réduire la durée totale du procédé, on peut utiliser deux fours distincts : un premier four dont la température est réglée à la première température de chaude T1r et un deuxième four dont la température est réglée à la deuxième température de chaude T2. Ainsi, on peut faire passer la pièce directement du premier four au deuxième four, sans diminution de température de la pièce entre temps. Au contraire, si on utilise un seul four, il faut monter la température du four de la première température de chaude T1 à la deuxième température de chaude T2, ce qui prend du temps. Dans certains cas, il est avantageux que le deuxième cycle de traitement soit suivi d'un traitement de mise en solution à une température inférieure à la température [3-transus de l'alliage (c'est-à-dire que cette mise en solution est dans le domaine a(3) et à une température supérieure à la température de premier forgeage, comme l'ont montré des essais réalisés par les inventeurs. Cette mise en solution (étape 3 sur la figure 1) est donc effectuée à une température supérieure à la première température de chaude T1. Ainsi, une fois la pièce trempée à l'issue du deuxième cycle de chaude (étape 2), la pièce est chauffée à une température de mise en solution TR (étape 3-1), puis refroidie (étape 3-2) jusqu'à température ambiante par trempe, par exemple dans l'eau ou aux polymères. Il n'y a pas de forgeage de la pièce lors de cette opération de mise en solution, la pièce ne change donc pas de forme. Cette mise en solution permet de diminuer les contraintes résiduelles engendrées dans la pièce par l'opération de forgeage lors du deuxième cycle de traitement. Avantageusement, l'écart de température ATR entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 est au moins égal à 25°C. Ainsi, lorsque l'écart de température ATR entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 est sensiblement égal à 25°C, la tenue en sollicitation statique d'un alliage ayant subi des cycles de traitement selon l'invention suivis à la fin par un tel traitement de mise en solution est améliorée par rapport à la tenue en sollicitation statique d'un alliage ayant subi des cycles de chaudes selon l'invention sans traitement de mise en solution. Alternativement, lorsque l'écart de température àTR entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 est sensiblement égal à 40°C, la durée de vie en fatigue d'un alliage ayant subi des cycles de traitement selon l'invention, suivis par un tel traitement de mise en solution final, est améliorée par rapport à la durée de vie d'un alliage ayant subi des cycles de chaudes selon l'invention sans traitement de mise en solution. Le procédé selon l'invention peut comporter, après le deuxième cycle de chaude, un ou plusieurs cycles de chaudes supplémentaires pour un total de N cycles de chaudes, comprenant chacun un chauffage à une n1ème température Tn (n=1,..,N) , puis un forgeage dans le domaine aI3 (donc à une température inférieure à la température f3-transus) suivi d'une trempe jusqu'à température ambiante, pour un nombre total de N cycles de chaudes. Ces cycles de chaudes sont tels que la température de chaude d'un cycle de chaude est toujours supérieure à la température de chaude du cycle immédiatement précédent par un écart Ut sensiblement égal ou supérieur à 20°C. Afin de réduire la durée totale du procédé, on peut utiliser N fours distincts, la pièce étant placée dans le premier four pour son chauffage lors du premier cycle de chaude, puis dans le four suivant pour son chauffage lors du cycle de chaude suivant et ainsi de suite jusqu'au Nième four, le nième four étant réglé à la n1ème température Tn, avec n=1,..,N. Dans certains cas, il est avantageux que le dernier cycle de chaude, c'est-à-dire le Nème cycle, soit suivi d'un traitement de mise en solution à une température de mise en solution TR inférieure à la température f3-transus de l'alliage et supérieure à la température de chaude T1r l'écart de température ATR = (TR ù T1) entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 étant au moins égal à 25°C. Par exemple, l'écart de température ATR entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 est sensiblement égal à 25°C, ou est sensiblement égal à 40°C, les avantages résultants dans chaque cas étant fournis ci-dessus. La durée du traitement de mise en solution est par exemple d'une heure. Après chauffage à la température de mise en solution TR, la pièce est refroidie jusqu'à température ambiante, par exemple par une trempe dans l'eau ou aux polymères. En outre, après ce traitement de mise en solution, la pièce peut être recuite à une température de recuit Tc. Par exemple, cette température de recuit Tc est de 700°C, et la durée du recuit est de 2 heures (recuit standard Rc). La pièce est ensuite refroidie jusqu'à température ambiante, par exemple à l'air. Le procédé selon l'invention est applicable à tout alliage de titane, par exemple aux alliages de type TA6V. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane comprenant N cycles successifs de traitement de forgeage à chaud, appelés chaudes, de ladite pièce avec, pour chaque nème cycle de chaude, n variant de 1 à N, un chauffage de ladite pièce à une nème température de chaude Tn jusqu'à ce que la température de ladite pièce soit sensiblement homogène, une opération de forgeage de la pièce à la température de chaude Tn, suivi immédiatement par une trempe de la pièce jusqu'à la température ambiante, caractérisé en ce que le nombre total de cycles de chaude N est au moins égal à 2, et en ce que (Tn+1 û Tn) 20°C avec Tn et Tn+1 inférieures à la température (3-transus de l'alliage pour tout n entier compris entre 1 et (N-1). 2. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit nombre N de cycles de chaude est égal à 2. 3. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise N fours distincts, la pièce étant placée dans le premier four pour son chauffage lors du premier cycle de chaude, puis dans le four suivant pour son chauffage lors du cycle de chaude suivant et ainsi de suite jusqu'au Nième four, le nème four étant réglé à la nième température Tn, avec n=1,..,N. 4. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dernier cycle de chaude, c'est-à-dire le Nème cycle, est suivi d'un traitement de mise en solution à une température de mise en solution TR inférieure à la température 33-transus de l'alliage et supérieure à la première température de chaude T1, l'écart de température ATR = (TR û T1) entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 étant au moins égal à 25°C. 5. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'écart de température ATR entre la température de mise en solution TR et la première température de chaude T1 est sensiblement égal à 40°C. 6. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la durée de maintien de la pièce à ladite température de mise en solution TR est d'une heure. 7. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit traitement de mise en solution est suivi par un traitement de recuit à une température Tc égale à 700°C. 8. Procédé de fabrication d'une pièce en alliage de titane selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit alliage est un alliage de type TA6V.