L'invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane bêta ou alpha/bêta.

L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique comportant ce procédé de forgeage.

L'invention porte en outre sur une pièce thermomécanique résultant de ce procédé de forgeage ou de ce procédé de fabrication, ladite pièce thermomécanique étant une pièce forgée en alliage alpha/bêta forgé bêta présentant une microstructure fine et homogène avec une taille de grain de l'ordre de 50 à 100 µm.

L'invention porte également sur une turbomachine comprenant une telle pièce thermomécanique. Le document EP 1 340 832 A1 divulgue un procédé de forgeage d'alliages en titane bêta ou quasi bêta dans lequel on réalise au moins deux étapes de forgeage comprenant une première étape en sub ou super transus bêta et une dernière étape en super transus bêta. Lors du procédé de forgeage, le taux de réduction à chaque étape est supérieur ou égal à 2. Ce document tient compte d'une déformation à l'échelle macroscopique et non pas d'ordre microscopique.

De plus, le document JP 11077212 A1 divulgue un procédé de forgeage d'un lingot de titane dans lequel un premier forgeage est réalisé à une température basse dans un domaine de température alfa pour donner une première déformation au lingot puis un second forgeage est réalisé dans un domaine de température bêta, qui est supérieur au domaine alfa, et pour chaque opération de forgeage, le rapport de travail peut prendre les valeurs de 10%, 30% et 50%. L'invention définie dans les revendications 1, 12 et 14, s'applique tout particulièrement, mais non limitativement, aux pièces tournantes de turbomachines, telles que les disques, tourillons et rouets, et en particulier aux disques de compresseurs haute pression, notamment aux DAM (disques aubagés monobloc). De telles pièces tournantes présentent typiquement une épaisseur supérieure à 10 mm, voire à 20 ou 30 mm.

La présente invention concerne tous les types d'alliage de titane stabilisés en température : alliages de titane des classes bêta et alpha/bêta (on parle ici de la structure de la pièce finie).

La présente invention concerne tout particulièrement les alliages de titane dénommés « alpha/bêta forgés bêta », la mention « alpha/bêta » correspondant à la microstructure de la pièce, à savoir avec coexistence des phases alpha et bêta de titane, cette pièce étant mise en forme par forgeage. Le procédé de forgeage comporte notamment une étape finale de déformation par matriçage dans le domaine bêta de l'alliage de titane.

On rappelle que le domaine bêta de l'alliage de titane correspond à des températures supérieures à la température de bêta transus T_β, les températures inférieures à la température de bêta transus T_β correspondant au domaine alpha/bêta.

Actuellement, selon la technique utilisée par la demanderesse pour fabriquer les disques de compresseur haute pression y compris les DAM, le procédé de forgeage correspond au diagramme de la figure 1, décrit ci-après.

Au départ, un lingot en alliage de titane obtenu par fusion est transformé en une billette présentant toute forme souhaitée, qui est la plupart du temps une forme cylindrique.

Une telle billette constitue un demi-produit et est obtenue par une ou plusieurs fusions de l'alliage mère puis la coulée d'un lingot lui-même forgé selon un cycle thermomécanique précis (qui ne correspond pas au procédé de forgeage selon la présente invention), et ce afin de réduire la section du lingot et obtenir la billette avec des caractéristiques métallurgiques et dimensionnelles contrôlées.

A titre d'exemple, la ou les fusions sont opérées selon l'une des techniques suivantes : refusion à l'arc sous vide (« VAR » pour « Vacuum Arc Remelting»), refusion par faisceau d'électrons en creuset froid (« EBCHR » pour « Electron Beam Cold Heart Remelting ») ou par la technique de fusion par faisceau plasma (« PAM » pour « Plasma Arc Melting »).

Cette billette est ensuite soumise au procédé de forgeage illustré sur la figure 1 selon un tracé de la température à laquelle est soumise la billette en fonction du temps.

Dans un premier temps, on réalise, généralement mais non systématiquement, une première étape de forgeage, consistant en un ou plusieurs forgeage intermédiaire ou « forgeage ébauche ».

Lors de ce forgeage ébauche, la billette est d'abord chauffée (repère a) entre les moments t₀ et t₁ depuis la température ambiante T₀ jusqu'à la température T₁ inférieure à la température de bêta transus T_β. Habituellement, cette température T₁ est de l'ordre de la température de bêta transus T_β - 60°C et cette montée en température, dépendante de la massivité de la billette, prend, par exemple, environ 2 heures pour une billette d'un diamètre 200 mm.

Ensuite, la billette est maintenue à la température T₁ (repère b) entre les moments t₁ et t₂, correspondant à une durée d'environ 1 heure ou plus, pour s'assurer que l'ensemble de la matière constituant la billette a atteint cette température T₁, avant de procéder à l'opération de forgeage proprement dite (repère c), c'est-à-dire à la déformation plastique à chaud par presse (matriçage), pilon, laminoir...de la billette entre les moments t₂ et t₃, correspondant à une durée de quelques dizaines de secondes, en formant ainsi une ébauche. Pendant cette opération de forgeage, l'ébauche étant à l'air libre, il s'ensuit un refroidissement naturel de quelques dizaines de °C de la surface de la pièce, tandis que le cœur de la pièce soit se refroidit un peu soit se réchauffe de quelques °C selon la massivité de la pièce et les conditions de forgeage, notamment la vitesse de déformation.

Enfin, pour finir le forgeage ébauche, on laisse refroidir l'ébauche (repère d) jusqu'à la température ambiante T₀, entre les moments t₃ et t₄, correspondant à une durée d'environ quelques dizaines de minutes.

A partir du moment t₄, soit on laisse l'ébauche à la température ambiante T₀ jusqu'au moment t_n à partir duquel débute la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, soit on effectue un deuxième ou plusieurs autres forgeage(s) ébauche(s) (repères a', b', c', d' pour un deuxième forgeage ébauche) similaire(s) au premier forgeage ébauche (repères a, b, c, d) décrit précédemment. Ainsi, lorsqu'on réalise un deuxième ou plusieurs autres forgeage(s) ébauche(s) avant de réaliser la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, il s'agit toujours de procéder à l'opération de forgeage proprement dite à une température T₁ inférieure à la température de bêta transus T_β, en particulier la même température T₁ que celle du premier forgeage ébauche.

Dans ce dernier cas, une alternative consiste à démarrer plus tôt un deuxième forgeage ébauche en réchauffant (repère e) l'ébauche entre les moments t₃ et t₄ du premier forgeage ébauche, c'est à dire à ne pas attendre le refroidissement complet jusqu'à la température ambiante T₀ de l'ébauche (repère d du premier forgeage ébauche). Dans ce cas, on débute le deuxième forgeage ébauche en reprenant la montée en température de l'ébauche (repère e) jusqu'à la température T₁ puis on continue avec un maintien en température (repère b') précédant l'opération de forgeage proprement dite (repère c'). Cette alternative permet de réduire le temps de mise en œuvre du procédé de forgeage sans risque de faire évoluer la microstructure de la billette pendant un refroidissement complet et une remontée en température ultérieure (repères d et a').

S'agissant de la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, qui débute au moment t_n, elle reprend des étapes similaires de celles du forgeage ébauche à l'exception de la valeur de la température à laquelle est portée l'ébauche avant la réalisation de l'opération de forgeage proprement dite, puisqu'il s'agit de la température T₂ supérieure à la température de bêta transus T_β. Habituellement, cette température T₂ est de l'ordre de la température de bêta transus T_β +25°C.

Plus précisément, le forgeage final comporte une chauffe de l'ébauche (repère A) entre les moments t_n et t_n+1 depuis la température ambiante T₀ jusqu'à la température T₂, puis un maintien en température T₂ (repère B) entre les moments t_n+1 et t_n+2, avant de procéder à l'opération de forgeage proprement dite (repère C) de l'ébauche entre les moments t_n+2 et t_n+3. Cette opération de forgeage (repère C) de l'ébauche est réalisée à la température T₂, dans le domaine bêta (température supérieure à T_β), le refroidissement progressif de l'ébauche pendant cette opération de forgeage pouvant conduire éventuellement à ce qu'une partie de l'ébauche soumise à l'opération de forgeage présente une température à inférieure à T_β et soit donc forgée également à une température correspondant au domaine alpha/bêta. Enfin, on procède au refroidissement de la pièce forgée ainsi obtenue (repère D), dite pièce brute de forge ou pièce forgée, jusqu'à la température ambiante T₀ entre les moments t_n+3 et t_n+4.

Les autres paramètres de forge des étapes de forgeage ébauche et de forgeage final, notamment la vitesse de forgeage, le temps de transfert entre le four de chauffe et l'équipement de forgeage, le temps de transfert entre l'équipement de forgeage et le système de refroidissement de la pièce après forgeage sont définis en fonction de la géométrie et de la massivité de la pièce d'une part et des équipements industriels disponibles d'autre part.

Le nombre de forgeage ébauche ainsi que les caractéristiques de chaque opération de forgeage proprement dite (repères c, c', ... C) des étapes de forgeage ébauche et de forgeage final, notamment le choix de l'équipement de forgeage (presse hydraulique, presse mécanique à vis, pilon, laminoir), la position de la billette/l'ébauche par rapport à l'outil de forgeage, le niveau de contrainte exercé et la durée, ainsi que le nombre de répétitions sont définis pour chaque type de pièce, selon sa géométrie et sa massivité, selon une procédure pré-établie permettant de déformer progressivement la billette puis l'ébauche en formant, à l'issue du procédé de forgeage, une pièce forgée présentant les caractéristiques géométriques requises.

Lors de chaque opération de forgeage proprement dite (repères c, c', ... C) des étapes de forgeage ébauche et de forgeage final, on réalise une déformation de la pièce d'ordre macroscopique et microscopique.

A l'issue du forgeage final, on obtient une pièce forgée formant un produit que l'on peut qualifier de produit fini en ce sens que ce produit ne fait ensuite plus l'objet d'opérations ultérieures de forge et/ou de déformation plastique ; ce produit allant ensuite être usiné et subir des traitements complémentaires, notamment de conditionnement de surface en fonction de ses caractéristiques d'emploi, notamment au sein du moteur formant la turbomachine.

Ce procédé de fabrication d'une pièce forgée de l'art antérieur est la plupart du temps satisfaisant. Cependant, il existe dans certains cas un risque de formation d'une pièce forgée qui ne répond pas de façon correcte à tous les critères garantissant des propriétés mécaniques d'usage.

En effet, il s'avère que parfois, malgré toutes les précautions prises lors de son élaboration, la billette d'alliage de titane soumise au procédé de fabrication par forgeage décrit précédemment présente au départ des microstructures hétérogènes. En particulier on peut rencontrer le cas d'une microstructure contenant un ou plusieurs gros grains de titane, pouvant présenter une dimension allant jusqu'à plusieurs millimètres, voire de l'ordre du centimètre, notamment de titane en phase bêta. Ces gros grains non recristallisés en grains plus petits forment des îlots isolés qui, du fait de leur taille importante, ne sont pas affinés c'est à dire transformés en grains recristallisés de plus petite taille par le procédé de forgeage décrit précédemment.

Cette situation se présente tout particulièrement du fait de la taille importante des pièces concernées, et notamment de leur hauteur significative qui peut être de l'ordre 100 à 200 mm, voire jusqu'à 250 mm, de sorte que les billettes (ou lopins) de départ présentent elles-mêmes des dimensions importantes, par exemple de l'ordre de 250 mm pour leur diamètre.

La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de forgeage permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de faire disparaître dans l'ébauche toute présence de microstructures hétérogènes et en particulier d'une éventuelle présence de gros grains dans la billette de départ, afin de fournir une microstructure homogène de la pièce forgée.

A cet effet, la présente invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique en alliage de titane bêta ou alpha/bêta, comportant les étapes suivantes :

• on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une température de bêta transus T_β ;
• on réalise au moins une étape de forgeage ébauche de ladite billette, dans laquelle on chauffe ladite billette à une température T₁ inférieure à la température de bêta transus T_β avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite billette subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une ébauche, puis on laisse refroidir l'ébauche ;
• on réalise une étape de forgeage final de ladite ébauche, dans laquelle on chauffe ladite ébauche à une température T₂ supérieure à la température de bêta transus T_β avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite au cours de laquelle ladite ébauche subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une pièce forgée puis on procède au refroidissement de la pièce forgée.

Selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce que ladite opération de forgeage de l'étape de forgeage ébauche réalise en tout point de ladite billette une déformation locale supérieure à un taux de déformation minimal d'au moins 0,2.

Par taux de déformation, on entend ici la déformation plastique cumulée en un point de la pièce, appelée aussi déformation équivalente, qui est donc considérée sur la pièce ayant subie l'opération de forgeage ébauche considérée.

Il s'agit donc de réaliser pendant l'étape de forgeage ébauche (ou au moins une des étapes de forgeage ébauche s'il y en a plus d'une) une opération de forgeage qui réalise une déformation locale minimale en tout point de la billette, c'est-à-dire que l'on impose à cette dernière non seulement une déformation globale mais surtout une déformation locale minimale en tout point.

Ainsi, la solution selon la présente invention revient à modifier les conditions de déformation imposées à la billette pendant le procédé de forgeage au moment de l'opération de forgeage proprement dite (repère c et/ou c') de l'une au moins des étapes de forgeage ébauche, c'est-à-dire pour la ou les opérations de forgeage réalisées dans le domaine alpha/bêta, à savoir en dessous de la température de bêta transus T_β.

Il faut noter que la solution selon l'invention d'une part s'applique pendant l'étape de forgeage ébauche, et non pendant l'étape de forgeage final, et d'autre part repose sur une déformation minimale locale, et non sur une déformation minimale globale de la pièce.

Il existe des procédés de forgeage tels que celui présenté en introduction, dans lesquels on impose une déformation minimale de l'ébauche pendant l'opération de forgeage C de l'étape de forgeage final dans le domaine bêta, qui est réalisée à la température T₂. Ainsi, pour certaines applications, la demanderesse applique un taux de déformation supérieur à 0,7 en tout point de la pièce en cours de forgeage, c'est à dire que chaque point de la pièce après forgeage final dans le domaine bêta a subi un taux de déformation supérieur à 0,7.

Cette déformation locale minimale imposée pendant l'étape de forgeage final dans le domaine bêta permet d'obtenir une microstructure fine constituée d'ex grains beta.

Dans ce cas, malgré le fait que la pièce se trouve à une température supérieure à la température de bêta transus T_β,, la demanderesse a constaté que l'étape de forgeage final ne permet pas, et ceci quel que soit le taux de déformation local atteint, de produire des microstructures fines et homogène, notamment si l'ébauche (ou la billette) présente au préalable une microstructure hétérogène, en particulier une microstructure à gros grains isolés.

Selon l'invention, on comprend que malgré le fait que l'opération de forgeage au cours de laquelle on impose un taux minimal de déformation en tout point de la billette se déroule à une température inférieure à la température de bêta transus T_β , on arrive, de façon inattendue, à produire des microstructures fines et homogène pour la pièce forgée si l'ébauche (ou la billette) présente une microstructure hétérogène, en particulier une microstructure à gros grains isolés.

Cette solution présente aussi l'avantage supplémentaire, de permettre, en outre, d'éviter une modification des conditions de réalisation de l'étape de forgeage final qui, du fait de la température atteinte (température T₂>température de bêta transus T_β), est relativement délicate à mettre en oeuvre.

On prévoit, en tout point de la billette, un taux de déformation minimal, du à l'opération de forgeage proprement dite de l'étape de forgeage ébauche, d'au moins 0,2, de préférence ledit taux de déformation minimal est de 0,3 et de façon privilégiée de 0,4.

Dans la pratique, on vérifie que la déformation locale minimale a bien eu lieu en tout point de la billette au moyen d'outils informatiques de simulation numérique de l'opération de forgeage proprement dite.

Ainsi, grâce à de tels outils informatiques, on peut vérifier que les critères de déformation minimaux sont respectés.

De préférence, le procédé concerne un alliage de titane de type alpha-bêta.

En particulier, on utilise préférentiellement l'un des deux alliages suivants :

• l'alliage de titane dénommé « Ti 6242» ou Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, qui comporte environ 6% d'aluminium, 2% d'étain, 4% de zirconium et 2% de molybdène (alliage TA6Zr4DE selon la nomenclature métallurgique),
• l'alliage de titane dénommé «Ti 17» ou TACD4 ou Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr, qui comporte environ 5% d'aluminium, 4% de molybdène, 4% de chrome, 2% d'étain, et 2% de zirconium.

Sur les figures 2 et 3 sont respectivement visibles des photographies de microstructures correspondant à la situation précédant la réalisation du procédé de forgeage selon l'invention, et la microstructure modifiée résultant du procédé de forgeage selon l'invention.

Ainsi, sur la figure 2, on distingue un très gros grain de phase bêta non recristallisé, d'une taille de l'ordre de 20 x 8 mm observé sur billettes.

Dans cet exemple, il s'agit de l'alliage de titane Ti17 et l'on a réalisé un procédé de forgeage comportant une seule étape de forgeage ébauche dans lequel, pour cette étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,3.

Le résultat visible sur la figure 3 montre que le très gros grain de phase bétâ s'est bien recristallisé puisqu'on aboutit à une microstructure homogène, fine, à savoir une taille de grain de l'ordre de 50 à 100 µm.

D'une façon générale, grâce au procédé de forgeage selon la présente invention, la pièce thermomécanique obtenue est une pièce forgée en alliage alpha/bêta forgé bêta qui présente une microstructure plus fine ou affinée par rapport à la microstructure de la billette de départ, la microstructure fine obtenue ayant une taille de grain typique de l'ordre de quelques centaines de micromètres au plus.

Parmi les autres variantes possibles du procédé de forgeage selon l'invention, on prévoit :

• un procédé de forgeage comportant au moins deux étapes de forgeage ébauche en ayant fait en sorte que pour au moins deux étapes de forgeage ébauche successives, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,2 ; ou
• un procédé de forgeage comportant au moins une première et une deuxième étapes de forgeage ébauche et dans lequel, pour l'une parmi la première et la deuxième étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,3 ; ou
• un procédé de forgeage comportant au moins deux étapes de forgeage ébauche et dans lequel, pour chaque étape de forgeage ébauche, ladite opération de forgeage réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal égal à 0,2.

Dans ces deux dernier cas, on peut prévoir deux, trois, quatre ou davantage d'étapes de forgeage ébauche.