Produits minces en alliages de titane bêta ou quasi bêta, fabrication par forgeage

Abstract

 La présente invention a pour objet :

• des produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane β ou quasi β, dont la microstructure à coeur est constituée de grains entiers présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre compris entre 10 et 300 µm ;
• la fabrication par forgeage desdits produits.

Description

[0001] La présente invention a pour objet des produits minces en alliages de titane β ou quasi β ainsi que la fabrication par forgeage desdits produits minces.

[0002] Elle concerne plus précisément :

• des produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane β ou quasi β, qui présentent une microstructure originale ;
• un procédé pour la fabrication desdits produits qui, de façon caractéristique, est basé sur une opération de forgeage.

[0003] Le contexte de conception et de développement de l'invention présentement revendiquée a été celui de la fabrication de disques aubagés monoblocs (DAM) avec pales rapportées par soudure friction linéaire. Lesdits disques aubagés monoblocs, en référence à leurs propriétés mécaniques et notamment leur résistance à la fatigue vibratoire, sont généralement en un alliage de titane β ou quasi β. Ils sont obtenus, à ce jour, par usinage, dans un brut massif.

[0004] A l'encontre de l'obtention par forgeage des aubes de tels disques en un alliage de titane β ou quasi β, il existait un réel préjugé. Le forgeage de structures en alliages de titane β ou quasi β, c'est-à-dire de structures à gros grains, pour élaborer des pièces de faibles épaisseurs (pales), ne pouvait a priori conduire qu'à de telles pièces, aux propriétés mécaniques (notamment tenue aux chocs, résistance à la fatigue vibratoire) décevantes.

[0005] De façon tout à fait surprenante, dans le cadre de la présente invention, des aubes (produits minces) en alliages de titane β ou quasi β performantes (présentant une bonne santé métallurgique et de bonnes caractéristiques mécaniques) ont été obtenues par forgeage (c'est-à-dire avec économie de matière, par rapport à la technique d'usinage, classiquement mise en oeuvre). Lesdites aubes ont de plus des durées de vie supérieures à celles des aubes obtenues par usinage ; elles peuvent par ailleurs être obtenues avec des géométries optimisées, permettant d'améliorer l'aérodynamique, donc les performances du moteur dans lequel elles sont susceptibles d'intervenir.

[0006] L'invention a donc été conçue et développée, de manière non évidente, dans ce contexte de la fabrication des disques aubagés monoblocs (DAM). Elle n'est toutefois nullement limitée audit contexte ; elle s'exprime, également, tout naturellement dans des contextes plus ou moins voisins, tels celui de la fabrication d'anneaux aubagés monoblocs (ANAM), ceux de la réparation desdits disques aubagés monoblocs (DAM) et anneaux aubagés monoblocs (ANAM), et plus généralement celui de la fabrication de produits minces en titane β ou quasi β.

[0007] La maîtrise du forgeage, selon l'invention, de lopins en alliages de titane β ou quasi β, de faibles épaisseurs, a permis l'obtention de produits minces, en lesdits alliages de titane β ou quasi β, originaux de par leur microstructure à coeur.

[0008] Lesdits produits constituent le premier objet de la présente invention.

[0009] Le procédé de forgeage maîtrisé qui conduit auxdits produits en constitue le second objet.

[0010] Selon son premier objet, la présente invention concerne donc des produits manufacturés, non axisymétriques (les fils sont ainsi exclus), d'une épaisseur inférieure à 10 mm (ces 10 mm précisent les notions de "faible épaisseur", de "produits minces", utilisées dans le présent texte), en alliages de titane β ou quasi β, dont la microstructure à coeur est constituée de grains entiers présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre équivalent compris entre 10 et 300 µm.

[0011] Les alliages de titane β ou quasi β (que l'on peut aussi qualifier de proche β) sont familiers à l'homme du métier. Ils présentent une structure hexagonale compacte. Ils sont parfaitement définis, notamment dans les Handbooks américains (US) : l'ASMH (AMERICAN SOCIETY MATERIAL HANDBOOK) et le MILH (MILITARY HANDBOOK). Leur utilisation est, à ce jour, cantonnée à la fabrication de pièces forgées massives ou de fortes épaisseurs.

[0012] De façon caractéristique, les produits manufacturés de l'invention, en lesdits alliages, sont des produits minces qui portent l'hérédité de leur procédé de fabrication, basé sur une ou plusieurs opérations de forgeage. Leur microstructure à coeur est originale. Les grains de ladite microstructure à coeur ont été corroyés.

[0013] Ils présentent un taux d'élancement supérieur à 4 ; ledit taux d'élancement étant classiquement défini comme le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension dans le plan de coupe axiale.

[0014] Ils présentent un diamètre équivalent compris entre 10 et 300 µm.

[0015] En lieu et place des gros grains tronqués que l'on trouve dans la structure de produits équivalents (minces) obtenus par usinage, ce sont des grains entiers, écrasés, lenticulaires que l'on trouve au coeur des produits de l'invention.

[0016] Les produits manufacturés de l'invention, de par les caractéristiques énoncées ci-dessus, sont des produits nouveaux. Ces produits nouveaux sont susceptibles d'être obtenus par forgeage. Comme expliqué précédemment, il existait un réel préjugé à chercher à obtenir des structures minces par forgeage de structures plus épaisses à gros grains et, de manière tout à fait surprenante, de telles structures minces se sont révélées présenter des caractéristiques très intéressantes.

[0017] Les produits manufacturés de l'invention consistent avantageusement en des aubes de compresseurs de turbomachines.

[0018] L'invention n'est toutefois nullement limitée à ce contexte. Les produits en cause peuvent également consister en des hélices, de sous-marins notamment, en des pales de ventilateurs ou mélangeurs (susceptibles d'intervenir dans des milieux justifiant la constitution desdites pales en alliages de titane β ou quasi β). Cette liste ne saurait être exhaustive.

[0019] Selon une variante particulièrement préférée (en aucun cas, limitative), les produits manufacturés de l'invention sont en alliage Ti₁₇. Cet alliage, familier à l'homme du métier, est utilisé à ce jour pour fabriquer des pièces massives, notamment des disques de compresseurs. Il présente des contraintes d'écoulement élevées et a lui aussi la réputation d'être difficilement forgeable.

[0020] Il s'agit plus précisément de l'alliage :

TA₅CD₄, selon la nomenclature métallurgique,

TiAl₅Cr₂MO₄, selon la nomenclature chimique.

[0021] De manière tout à fait surprenante, les inventeurs ont, dans le cadre de l'invention présentement revendiquée, forgé des pièces minces, en ledit alliage Ti₁₇, avec des taux de corroyage importants ; lesdites pièces forgées présentant des propriétés mécaniques élevées.

[0022] On en vient maintenant au deuxième objet de la présente invention, à savoir le procédé de fabrication des produits nouveaux, décrits ci-dessus.

[0023] Ledit procédé de fabrication comprend :

• l'obtention d'un lopin émaillé ;
• la transformation, si nécessaire, dudit lopin en un produit long d'un diamètre équivalent inférieur à 100 mm ;
• le forgeage dudit produit long ;
• la trempe dudit produit long forgé ; et
• le revenu dudit produit long forgé trempé.

[0024] Le produit à forger est, de façon classique, préalablement émaillé.

[0025] Ledit produit consiste généralement en un demi-produit, obtenu par filage ou forgeage d'un matériau de départ, à plus gros diamètre équivalent (à plus forte épaisseur). Il peut notamment s'agir d'une barre (présentant, par exemple, un diamètre de 25 mm), obtenue par filage d'une billette. Les alliages en titane β ou proche β existent en effet principalement sous la forme de telles billettes (destinées à la fabrication de disques de compression par usinage).

[0026] Ce produit émaillé, généralement donc demi-produit émaillé, d'un diamètre (équivalent) inférieur à 100 mm, est, selon l'invention, transformé par forgeage en un produit manufacturé d'une épaisseur inférieure à 10 mm.

[0027] Pour l'obtention d'un tel produit manufacturé, aux propriétés optimisées, on préconise la mise en oeuvre du forgeage dans les conditions ci-après. L'opération de forgeage comprend au moins deux chaudes :

• une première chaude en sub ou super transus β, généralement à une température comprise entre 700 et 1000°C ;
• une dernière chaude en super transus β, généralement à une température supérieure à 880°C.

[0028] Les températures en cause sont bien évidemment dépendantes de l'alliage de Ti β ou Ti quasi β concerné.

[0029] Le taux de réduction à chaque chaude est supérieur ou égal (avantageusement supérieur) à 2 et les vitesses de forge (ou vitesses d'écrasement) sont comprises entre 1 et 1.10^-5 s^-1.

[0030] L'opération de forgeage peut tout à fait être limitée aux deux chaudes, telles que précisées ci-dessus (la seconde desdites deux chaudes étant impérativement une chaude en super transus β). Elle peut inclure une chaude supplémentaire, en sub ou super transus β, avant la dernière (troisième) chaude en super transus β. Il n'est pas totalement exclu qu'elle inclut plus de trois chaudes (la dernière de ces chaudes étant impérativement une chaude en super transus β) mais l'intérêt de multiplier ainsi le nombre de chaudes n'est pas évident.

[0031] L'opération de forgeage inclut donc généralement deux ou trois chaudes, mises en oeuvre dans les conditions précisées ci-dessus.

[0032] De façon classique, le produit forgé est éventuellement ré-émaillé entre deux chaudes successives.

[0033] Selon une variante de mise en oeuvre avantageuse, la matrice de forgeage est maintenue à une température comprise entre 100 et 700°C.

[0034] L'opération de forgeage est classiquement suivie d'une trempe (généralement immédiatement suivie d'une telle trempe). Une telle trempe peut notamment être mise en oeuvre sous air pulsé, sous air calme, dans un bain d'huile ou sur matrice. Elle est avantageusement mise en oeuvre dans des conditions qui induisent une vitesse de refroidissement inférieure ou égale à celle induite par une trempe dans un bain d'huile.

[0035] Le revenu du produit forgé, trempé, est avantageusement mis en oeuvre à une température comprise entre 620 et 750°C, pendant 3 à 5 h. On optimise ses conditions de mise en oeuvre en fonction des caractéristiques recherchées pour le produit fini. On veille à effectuer ledit revenu sous atmosphère inerte (notamment vide ou argon) si l'émaillage est fissuré ou écaillé.

[0036] Selon une variante particulièrement avantageuse, le procédé de l'invention est mis en oeuvre dans les conditions ci-après :

• le lopin est en alliage Ti₁₇ (TA₅CD₄ ou TiAl₅Cr₂MO₄);
• le forgeage comprend une première chaude à une température inférieure ou égale à 840 ± 10°C (en sub transus β) ou à une température supérieure ou égale à 940 ± 10°C (en super transus β) et une seconde chaude à une température de 940 ± 10°C (en super transus β);
• la trempe est mise en oeuvre sur matrice puis à l'air calme ;
• le revenu est mis en oeuvre à 630°C pendant 4 h.

[0037] Il conduit à un produit, tel que décrit dans la première partie de ce texte, qui peut notamment consister en une aube.

[0038] La fabrication d'une telle aube est précisée dans l'exemple ci-après, donné à titre purement illustratif.

[0039] Sur les figures 1 et 2 annexées, on montre, à différentes échelles, la microstructure à coeur - microstructure originale - d'une telle aube.

[0040] Sur la figure 1 - coupe dans les trois directions : coupe transversale selon le plan A, longitudinale selon le plan B et faciale selon le plan C ; grossissement : x 20 - on voit clairement la forme lenticulaire des grains : fortement écrasés dans les directions transversale et longitudinale et présentant une large face dans la coupe faciale.

[0041] Sur la figure 2 - fort grossissement : x 5000 - on montre la microstructure interne des grains. On a référencé 1 un grain écroui, 2 un grain recristallisé. Les aiguilles α sont très fines et très enchevêtrées.

Exemple : Fabrication d'une aube en Ti₁₇ par forgeage.

[0042] Le procédé mis en oeuvre comporte les étapes successives ci-après :

• filage d'une barre (φ < 100 mm) pour obtenir un lopin (φ : 27 mm) de 240 mm de long ;
• émaillage ;
• écrasement radial de la barre filée pour former la pale et le pied ;
• matrice de forgeage portée à 200°C ;
• vitesse de frappe (presse à vis) : 10^-4 s^-1 ;
• 1^ère chaude : le lopin émaillé, maintenu 45 min à 940°C (chaude en super transus β) est écrasé jusqu'à présenter une épaisseur de 13 à 8 mm.
• 2ême chaude : conditions identiques à la 1^ère Le nouvel écrasement génère une pièce dont l'épaisseur varie de 9 à 1 mm.
• refroidissement sur matrice puis par air calme sur table ;
• revenu direct après forge de 630°C/4 h.

[0043] Il génère une aube dont la microstructure à coeur est telle que montrée sur les figures annexées.

Revendications

1. Produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane β ou quasi β, dont la microstructure à coeur est constituée de grains entiers présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre équivalent compris entre 10 et 300 µm.

2. Produits manufacturés selon la revendication 1, susceptibles d'être obtenus par forgeage.

3. Produits manufacturés selon l'une des revendications 1 ou 2, consistant en des aubes de compresseurs de turbomachines.

4. Produits manufacturés selon l'une quelconque de revendications 1 à 3, en alliage Ti₁₇ (TA₅CD₄ ou TiAl₅Cr₂MO₄).

5. Procédé de fabrication d'un produit selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend :

- l'obtention d'un lopin émaillé ;

- la transformation, si nécessaire, dudit lopin en un produit long d'un diamètre équivalent inférieur à 100 mm ;

- le forgeage dudit produit long ;

- la trempe dudit produit long forgé ; et

- le revenu dudit produit long forgé trempé.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit forgeage comprend au moins deux chaudes, la première en sub ou super transus β et la dernière en super transus β; le taux de réduction à chaque chaude étant supérieur ou égal à 2 et les vitesses de forge étant comprises entre 1 et 1.10^-5 s^-1.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit forgeage comprend trois chaudes ; une première et une seconde, indépendamment, en sub ou super transus β et une troisième en super transus β.

8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend un réémaillage du produit entre deux chaudes.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la matrice de forgeage est maintenue à une température comprise entre 100 et 700°C.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que ladite trempe est mise en oeuvre dans des conditions qui induisent une vitesse de refroidissement inférieure ou égale à celle induite par une trempe dans un bain d'huile.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que ledit revenu est mis en oeuvre à une température comprise entre 620 et 750°C, pendant 3 à 5 h.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que :

- ledit lopin est en alliage Ti₁₇ (TA₅CD₄ ou TiAl₅Cr₂MO₄) ;

- ledit forgeage comprend une première chaude à une température inférieure ou égale à 840 ± 10°C ou à une température supérieure ou égale à 940 ± 10°C et une seconde chaude à une température de 940 ± 10°C ;

- ladite trempe est mise en oeuvre sur matrice puis à l'air calme ; et

- ledit revenu est mis en oeuvre à 630°C pendant 4 heures.

Dessins