Brevet FR3148040A1 — publié le 20241025

La présente invention concerne un matériau qui est obtenu en ce que l’on allie du titane ou un alliage de titane avec un mélange de lanthanides, où la température de transformation (température des péritectiques) est supérieure à la température de transformation allotropique de l’alliage de titane, si bien que l’alliage obtenu subit une transformation péritectique lors du refroidissement. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Alliages de titane présentant une faible anisotropie La présente invention concerne des alliages de titane qui sont utilisés dans des procédés de transformation primaire ou de revêtement et présentent des propriétés améliorées eu égard à la texture cristallographique et à l’anisotropie. L’invention concerne en outre un procédé d’ajustement de structures lors de la fabrication de matériaux métalliques. Arrière-plan technologique La fabrication additive (AM) à base de métal, désignée dans le langage familier par impression 3D de métal, forme un sous-groupe important des procédés de transformation primaire. Celle-ci génère actuellement un changement de paradigme dans différentes branches, comme dans l'industrie aéronautique, l’industrie automobile et la biomédecine. L’un des principaux atouts de la fabrication additive est la production de pièces métalliques ayant des géométries complexes et présentant presque tout contour final, et qui ne pouvaient jusqu’à présent qu’être réalisés de façon onéreuse, en recourant à une combinaison de procédés existants (par exemple fraisage par points 5 axes, selon un mode de construction par coulage et au moyen de structures à adhésion de matière des différents composants) ou ne pouvaient pas être réalisés du tout. Elle permet par exemple des canaux intérieurs pour fluides de refroidissement ou des structures bioniques et à optimisation de charge présentant un poids réduit. La fabrication additive ou générative (« par couches ») de composants à partir d'un modèle de conception 3D assisté par ordinateur offre une liberté de conception considérablement supérieure, une plus grande flexibilité d’adaptation des produits en fonction des besoins spécifiques des clients, et une réduction des délais d'introduction sur les marchés. Dans les procédés de transformation primaire, en particulier dans la fabrication additive, on utilise entre autres beaucoup de matériaux différents à base de titane, de nickel, de fer ou d’aluminium. Les matériaux de titane offrent un très fort potentiel de légèreté de construction du fait de leurs très bonnes résistances spécifiques pour une moindre masse volumique. Pour la fabrication de pièces en titane ou en alliages de titane (ci-après uniquement appelées « titane ») ou pour leur réparation, la fabrication additive promet des réductions de coûts de production considérables attendu que les coûts d’usinage et la perte de matériau (enlèvement de copeaux, perte de la dépense énergétique, etc.) peuvent être réduits. Dans l’aéronautique et l’astronautique, on envisage par conséquent pour la fabrication additive en particulier des composants de titane présentant un ratio buy-to-fly (gain économique) élevé. On a par exemple réalisé, lors de la fabrication d'un élément de fixation de groupe motopropulseur en Ti-6Al-4V en utilisant une AM, une réduction de coûts de 50 % par rapport à une méthode de construction conventionnelle par forgeage. Il est par conséquent essentiel d’accélérer les capacités de l’impression 3D et de soutenir le changement de paradigme. Pour ce faire, de nouveaux matériaux seront à l’avenir nécessaires, lesquels sont définis sur des propriétés de processus de la fabrication additive au moyen de sources laser ou de faisceaux d’électrons, et qui génèrent lors de leur transformation des pièces présentant des propriétés ciblées. On compte parmi les procédés particulièrement envisagés pour cela ce que l'on appelle le procédé de fusion au laser sur lit de poudre, ou FLLP (Laser Powder Bed Fusion/LBPF), le procédé de soudage par dépôt de matière par énergie directe (Direct Energy Deposition/DED) et le procédé correspondant de fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting/EBM), ainsi que la fabrication additive par arc-fil (Wire-Arc Additive Manufacturing/WAAM). Dans les procédés de transformation primaire, les matériaux de titane utilisés en particulier dans la fabrication additive ne sont pas calés sur le procédé de fabrication additive, mais découlent de développements réalisés pour la transformation avec des procédés conventionnels de coulage ou de forgeage. Les procédés additifs et génératifs se caractérisent cependant tous par des conditions de processus particulières sur le plan métallurgique, qui présentent, en fonction du processus, des paramètres de processus, des propriétés des pièces et de la stratégie de construction, des vitesses de refroidissement élevées à extrêmement élevées. Ceux-ci se distinguent fortement des procédés conventionnels et entraînent de ce fait d’autres propriétés de matériau malgré une composition chimique identique. Dans les conditions de refroidissement de la fabrication additive, ces alliages connus, par exemple de titane – 6 aluminium – 4 vanadium (Ti-6Al-4V, donc un alliage de titane qui comporte 6 % en poids d’aluminium et 4 % en poids de vanadium), affichent des propriétés anisotropes, ce qui signifie que le comportement du matériau est fonction de l’orientation [Shunyu Liu, Yung C. Shin, Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review, Material & Design, 2019, 164, 107552]. Cela se produit dans des systèmes de cristaux cubiques sur la base de la métallurgie physique d'un processus additif, qui se caractérisé par des gradients de refroidissement orientés élevés. Dans des alliages de titane, cela génère des microstructures « cristallines colonnaires » typiques présentant des grains ß colonnaires très grossiers ayant une forte texture type ß le long de la direction de construction additive. Une représentation schématique est montrée à la Figure 1a de la . Ces propriétés de matériau fortement anisotropes (par exemple limites d’allongement, stabilités, etc.) représentent un problème pour les pièces et leur conception. Il se forme également des microstructures qui, en cas de traitement thermique ultérieur, deviennent beaucoup moins fines et ne génèrent pas les propriétés mécaniques souhaitées. Les traitements thermomécaniques de déformation / reprise, qui peuvent être utilisés dans la fabrication conventionnelle, ne sont pas non plus, dans la fabrication additive proche des contours finaux, une éventualité pour rompre des textures, générer une recristallisation et adapter des granulométries et des morphologies de grains. Cependant, pour pouvoir concevoir de nouvelles pièces de façon optimale, on exige souvent un matériau présentant des propriétés presque isotropes. On souhaite aussi que les nouveaux matériaux pour une fabrication additive à base de métal (matériaux AM) présentent d’autres propriétés ciblées, comme une structure globulaire ou une structure bimodale, avec une répartition des granulométries adaptée de façon ciblée à chaque scénario de l’application respective (stabilités statiques, sollicitations en fatigue, charges de fluage, etc.). Il existe par conséquent un besoin d'un procédé de fabrication additive dans lequel on utilise des alliages de titane qui évitent les inconvénients associés à l’état de la technique et présentent en particulier des propriétés anisotropes, ainsi qu'une texture cristallographique la plus homogène possible. Description détaillée de l’invention On a découvert, de façon surprenante, que des alliages de titane qui forment une lacune de miscibilité avec des terres rares subissent une réaction péritectique avec une température péritectique supérieure à la température de transformation allotropique β -> α (882 °C pour du titane pur ; transus β). Ces alliages peuvent être utilisés dans différents procédés de fabrication selon DIN 8580:2003-09, en particulier pour la transformation primaire et/ou le revêtement. Les procédés de transformation primaire sont par conséquent, en accord avec la présente invention, la coulée ou la fabrication additive (impression 3D) selon DIN EN ISO/ASTM 52900. Dans une première forme de réalisation, l’objet à la base de la présente invention est résolu par un matériau qui est obtenu en ce que l’on allie du titane ou un alliage de titane avec plusieurs lanthanides, la température de transformation (température des péritectiques) étant supérieure à la température de transformation allotropique de l’alliage de titane, si bien qu’il se produit une transformation péritectique dans l’alliage obtenu lors du refroidissement. De façon surprenante, il s’est avéré qu’il est possible, par l’alliage avec des terres rares, d’exploiter une transformation péritectique de façon telle que l'on peut fabriquer de nouveaux alliages présentant des structures réglables et des propriétés considérablement plus isotropes que les alliages d’origine correspondants sans lanthanides. Il s’est en outre avéré, de façon surprenante, que l’utilisation de plusieurs lanthanides peut permettre d’atteindre une adaptation à différentes compositions d’alliage, par exemple de la température critique. La voie péritectique générée par la modification, (L1 + ß -> α), qui mène à la réduction souhaitée de la texture par formation de grains globulaires, doit à cet effet se caractériser par une température critique (température des péritectiques) supérieure à la température de transformation allotropique. Pour cela, la phase des lanthanides (L1) doit se présenter à l’état liquide lors de la fabrication. La zone de fusion du mélange de lanthanides peut être adaptée par la sélection des lanthanides et de leur composition. La réaction péritectique devrait être proche de la température de transformation allotropique, attendu qu’un traitement thermique ultérieur doit être possible à une température la plus faible possible. On ajuste la fraction des zones globulaires et lamellaires par ajout d’au moins un autre élément d’alliage. La préparation du matériau comporte un réchauffement et un refroidissement ultérieur dans les conditions nommées, ceux-ci se produisant par exemple dans le cadre d'un procédé de fabrication additive (impression 3D). Les procédés se caractérisent par des vitesses de refroidissement rapides à très rapides. En accord avec l'invention, à ce refroidissement peut encore succéder un traitement thermique. Lors de ce traitement thermique, le matériau est chauffé à une température T qui est supérieure à la température péritectique (TPT) du matériau, et repose par conséquent entre 600 °C et 1000 °C, de préférence entre 750 °C et 900 °C. Le réchauffement est de préférence réalisé à des températures supérieures à la température péritectique de l’alliage respectif, que connaît l’homme du métier, et est réalisé sur une durée comprise entre 1 seconde et 200 heures, de préférence entre plus d’une minute et jusqu’à 10 heures, et de façon particulièrement préférée entre 1 minute et jusqu’à 1 heure. Le matériau refroidit ensuite à la température ambiante. Par ce traitement thermique en L + β, on réduit encore la texture et l’anisotropie. En particulier, l’anisotropie peut en particulier de préférence être totalement supprimée. Un traitement thermique pour éliminer des tensions internes après la fabrication à proprement parler est connu pour les matériaux métalliques. Cependant, ceux-ci ne mènent pas à une réduction de la texture et de l’anisotropie, au moins pas dans une mesure telle que c’est le cas pour le matériau en accord avec l'invention. Si on utilise dans le procédé des alliages courants avec des vitesses de refroidissement rapides, un post-traitement thermique n’est possible que dans une étendue très faible étant donné que la texture de sortie, après solidification rapide, est encore trop grande et que les nouveaux grains qui se forment possèdent toujours les informations d'orientation des grains de la phase de haute température (équation de Burgers) que n'ont plus les nouveaux grains issus de la solidification péritectique. Dans une forme de réalisation préférée, le matériau obtenu présente au moins 0,01 % en poids ou plus d'un mélange de lanthanides. En particulier, la fraction de lanthanides est de 20 % ou moins. Une fraction plus grande influence trop les propriétés mécaniques du matériau. De plus, les lanthanides sont chers, si bien que le prix du matériau n’est pas attrayant si on les utilise. De façon particulièrement préférée, la fraction du mélange de lanthanides est comprise entre 0,05 % en poids et 15 % en poids, de préférence entre 0,1 % en poids et 10 % en poids, et en particulier entre 0,5 % en poids et 5 % en poids, de préférence entre 1 % en poids et 3 % en poids. Les indications de quantité se rapportent respectivement au poids total de l’alliage de titane. La teneur en mélange de lanthanides est à cet effet sélectionnée en particulier de façon telle qu’après un traitement thermique dans la plage L + β, la géométrie des pièces fabriquées à partir du matériau par fabrication additive reste inchangée. La fraction exacte en quantité dépend du choix du mélange de lanthanides, ainsi que du titane ou de l’alliage de titane. La fraction est cependant en particulier dans la plage précédemment nommée. Dans la fabrication additive d’alliages de titane usuels, on assiste à une forte croissance épitaxiale et par conséquent à la formation de structures présentant une texture cristallographique marquée et à des propriétés anisotropes fortes du matériau, comme le montre la Figure 1a. En utilisant l’alliage en accord avec l'invention de titane ou d'un alliage de titane avec mélange de lanthanides, il est possible d’atteindre une structure globulaire, de faible texture ou même sans texture, comme le montre la figure 1b. Au-delà de la fraction d’éléments d’alliage stabilisant β, il est possible d’obtenir une structure bimodale, comme montrée à la figure 1c. Il existe une application possible de l'invention dans l'impression 3D de pièces de structure, en particulier pour l’aéronautique et l’astronautique (par exemple pièces de châssis, turbine pour turbopompe, structures de satellites, etc.). Les alliages de titane sont utilisés entre autres pour des applications haute performance de résistance à la corrosion. Parallèlement aux applications structurelles, de tels métaux sont aussi utilisés dans d’autres secteurs, tels que des applications portant sur l’énergie et des applications en biomédecine. Le matériau en accord avec la présente invention est par conséquent utilisé pour fabriquer une pièce, le matériau naissant pendant la fabrication de la pièce. Dans une autre forme de réalisation de la présente invention, celle-ci concerne un procédé de fabrication d'une pièce à partir d'un alliage de titane au cours d'un procédé de production comprenant les étapes consistant à : a) fournir du titane ou un alliage de titane qui est/sont exempt(s) de lanthanide, b) fournir un mélange de lanthanides/ mischmétal, c) allier les composants a) et b), d) utiliser l’alliage obtenu en c) pour fabriquer un matériau lors d’un procédé de fabrication, de préférence un procédé de transformation primaire et/ou de revêtement, e) éventuellement déterminer de façon expérimentale la température péritectique de la pièce, et f) procéder ensuite à un traitement thermique, à une température T qui est supérieure à la température péritectique. Le mélange de lanthanides peut se composer de deux, trois lanthanides ou plus. Il est aussi possible, en accord avec la présente invention, que le mélange de lanthanides soit mis à disposition dans un mélange avec un autre métal puis qu’ensuite le lanthanide / mélange de lanthanides soit allié conjointement avec ce métal avec le titane/alliage de titane. Les lanthanides sont, en accord avec l'invention, des terres rares qui se composent du groupe des éléments suivants : lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, prométhium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium et lutétium. Quand des plages de quantités sont nommées pour décrire l’alliage, on envisage aussi toujours les zones intermédiaires comme divulguées. Il est possible de combiner des caractéristiques de chaque forme de réalisation d'une façon quelconque, et aussi de les combiner avec d’autres formes de réalisation tant que cette combinaison n’est pas explicitement exclue. En accord avec l'invention, le matériau mis à disposition peut être exploité dans des procédés de fabrication, en particulier lors d'un revêtement et/ou d’une transformation primaire. On entend par revêtement, en accord avec l’invention, l’application d'une couche adhérente à partir d'une substance amorphe sur la surface d'une pièce. La pièce à revêtir peut être générée à partir d’un autre procédé de fabrication. Le revêtement appliqué à partir du matériau mis à disposition en accord avec l’invention peut à cet effet être une couche mince ou épaisse. De plus, le revêtement peut être utilisé par exemple comme une protection anticorrosion. On entend par transformation primaire, en accord avec l'invention, le fait que l’on fabrique un corps solide présentant une forme géométrique définie à partir d'une substance amorphe. En accord avec l'invention, on comprend ici de préférence la coulée, ainsi que la fabrication additive (AM), donc l’impression 3D, à partir du matériau mis à disposition. Exemples de réalisation : Dans l’exemple de réalisation suivant, l'objet à la base de la présente invention est mieux expliqué de façon non limitative. On a fabriqué un alliage de titane. On a utilisé pour ce faire un alliage de mischmétal présentant 85 % en poids de cérium, 10 % en poids de lanthane et 5 % en poids de néodyme. On a de plus utilisé un alliage de titane-molybdène contenant 96 % en poids de titane et 4 % en poids de molybdène (Ti-4Mo). Cette composition d’alliage de Ti-4Mo a été alliée avec le mischmétal (MM) selon un rapport pondéral de 99 % en poids d’alliage de Ti-4Mo et 1 % en poids de mischmétal, par fusion dans un creuset à une température de 1900 °C. La température de la transformation allotropique (TA) était de 832 °C, et la température de solidus du mischmétal était d’environ 822 °C. À partir de l’alliage ainsi obtenu, on a fabriqué, par atomisation en phase gazeuse, une poudre présentant la composition Ti-4Mo-1MM. On a utilisé cette poudre dans un procédé de fabrication additive (fusion au laser sur lit de poudre, FLLP) pour fabriquer une pièce. On a procédé à une détermination expérimentale de la température péritectique (TPT) au moyen d'une diffraction in situ de rayons X, réalisée de préférence avec un rayonnement synchrotron à forte énergie, ici à 100 keV, pour obtenir des résultats particulièrement précis. On a procédé ensuite à un post-traitement thermique de la pièce à une température de 850 °C, qui était supérieure à la température péritectique, suite à quoi il s’est créé une adaptation de microstructure de l’alliage de Ti-4Mo-1MM. Le matériau présentait une structure bimodale, comme montrée à la figure 1c. Les matériaux présentant une structure bimodale possèdent des propriétés mécaniques exceptionnelles, une plus faible anisotropie, ainsi qu'un recuit d’affinage structural supérieur sans la nécessité d'un usinage thermomécanique contenant des étapes de déformation, qui ne sont généralement pas réalisables lors d'un procédé de fabrication, en particulier lors du revêtement ou de la transformation primaire. Procédé d’obtention d’un matériau caractérisé en ce que l’on allie du titane ou un alliage de titane avec un mélange de lanthanides, où la température de transformation (température des péritectiques) est supérieure à la température de transformation allotropique de l’alliage de titane, si bien que l’alliage obtenu subit lors du refroidissement une transformation péritectique. Procédé d’obtention d’un matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est en outre soumis à un traitement thermique qui se produit à une température T qui est supérieure à la température péritectique (TPT) du matériau. Procédé d’obtention d’un matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement thermique est réalisé sur une durée allant jusqu’à plusieurs heures ( Procédé d’obtention d’un matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement thermique est réalisé sur une durée allant d’1 minute à 10 heures. Procédé d’obtention d’un matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement thermique est réalisé sur une durée allant d'1 minute à 1 heure. Matériau obtenu selon un procédé d’obtention selon au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau présente au moins 0,01 % en poids d’un mélange de lanthanides. Matériau obtenu selon un procédé d’obtention selon au moins l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau présente une fraction de lanthanides de 20 % en poids. Procédé de fabrication d'une pièce à partir d'un alliage de titane lors d'un procédé additif, comprenant les étapes consistant à : a) mettre à disposition du titane ou un alliage de titane qui est/sont exempt(s) de lanthanides, b) mettre à disposition un mélange de lanthanides, c) allier les composants a) et b), d) utiliser l’alliage obtenu en c) pour fabriquer une pièce lors d'un processus de fabrication, de préférence une transformation primaire et/ou un revêtement, e) éventuellement déterminer de façon expérimentale la température péritectique de la pièce, et f) procéder à un traitement thermique ultérieur à une température T qui est supérieure à la température péritectique.