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RÉSUMÉ
Les excellents compromis densité/propriétés mécaniques/résistance à la corrosion des alliages de titane en ont fait de très bons candidats pour un grand nombre d’applications, notamment dans le secteur aéronautique et spatial. Dans le cas de ces alliages, le recours aux traitements thermomécaniques et thermiques est systématique afin d’optimiser les performances et d’adapter sa microstructure à l’usage. Cet article recense les notions de base sur la fabrication des demi-produits et des produits finis par forgeage, laminage, filage, tréfilage, emboutissage, ainsi que les techniques de pointe comme le gonflage superplastique, la métallurgie des poudres, la fonderie et la fabrication additive.
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Yves COMBRES : Docteur en Sciences et Génie des Matériaux - Directeur des Grands Projets Industriels - Framatome – BU Combustible – Division des Opérations Composants, Paris, France
INTRODUCTION
Le titane et ses alliages offrent de nombreux avantages comparés à d’autres métaux du fait de leur excellent compromis densité/propriétés mécaniques/résistance à la corrosion. Le coût des pièces est toutefois élevé. Cela restreint leurs domaines d’application au secteur aéronautique et spatial (disques de moteurs d’avion, certains trains d’atterrissage, carters, éléments de voilure, etc.). 70 % du marché consiste en des produits longs destinés à être matricés ou moulés après fusion ; les 30 % restants sont surtout des produits plats pour l’emboutissage, le gonflage superplastique, ou l’assemblage par soudage.
Nous aborderons principalement l’obtention de formes en alliage de titane par des techniques de déformation plastique et introduirons les techniques nécessitant l’apport de métal liquide telles que le moulage, ou le soudage détaillées par ailleurs.
À l’instar de celles d’autres systèmes d’alliages, les propriétés d’emploi des alliages de titane sont extrêmement dépendantes de la microstructure. Ainsi, afin d’obtenir la meilleure nuance pour une application donnée et d’optimiser les caractéristiques mécaniques, on a toujours recours à des traitements thermomécaniques et thermiques dans les diverses étapes de fabrication. Le but est d’obtenir non seulement la forme finale de la pièce, mais aussi la microstructure adaptée au cahier des charges des propriétés mécaniques.
L’objectif de cet article est donc de fournir aux utilisateurs potentiels du titane et de ses alliages les notions de base sur la fabrication des demi--produits et des produits finis par forgeage, laminage, filage, tréfilage, emboutissage, gonflage superplastique ou métallurgie des poudres.
Pour ce faire, ce texte est divisé en quatre parties. Tout d’abord, la métallurgie du titane (phases en présence, morphologie, etc.) est brièvement rappelée ainsi que les évolutions microstructurales dynamiques et statiques. Puis on présente la fabrication des demi-produits. Ensuite, on aborde la fabrication des produits finis et enfin, on introduit la mise en forme nécessitant l’apport de métal liquide.
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- Version archivée 1 de mars 1999 par Yves COMBRES
- Version archivée 2 de déc. 2010 par Yves COMBRES
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1. Évolutions microstructurales dynamiques et statiques
1.1 Rappels sur la métallurgie des alliages de titane
Rappelons que le titane ultra pur possède une structure hexagonale pseudo-compacte dite phase α jusqu’à 882 °C. Au-dessus de cette température, appelée transus β (T β), la structure cristallographique devient cubique centrée et est nommée phase β. Les effets des éléments d’addition sont, en première approximation, additifs, et ils augmentent ou abaissent la valeur du transus.
Les alliages obtenus sont affiliés aux classes suivantes, selon la nature des phases présentes à l’ambiante à l’état d’utilisation :
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classe α : les alliages sont constitués de 100 % de phase α ;
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classe α + β : les alliages possèdent des proportions éminemment variables de phases α et β ;
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classe β : les alliages sont constitués de 100 % de phase β.
La classe des alliages α + β est extrêmement vaste. On a donc créé des sous-classes, distinguées par la proportion de phase β à l’équilibre :
-
classe quasi-α : alliages possédant une teneur en phase β de quelques pour-cent (< 5 %) ;
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classe α + β : alliages dont la teneur en phase β est comprise entre 5 et 20 %, retenant une phase métastable (α’) par refroidissement ultrarapide ;
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classe β riche : alliages susceptibles de retenir une phase β métastable à l’ambiante par refroidissement très rapide (α’ ou βm) qui se transformera, par traitement thermique, en phases α et β avec des teneurs de phase β à l’équilibre voisines de 20 à 25 % ;
-
classe β métastable : alliages pouvant retenir de la phase β métastable à l’ambiante par refroidissement moyennement rapide, cette dernière se transformant en phases α et β stables avec 25 à 35 % de phase β.
Il importe de connaître la valeur du transus β avec précision, car c’est par rapport à elle que tous les traitements thermomécaniques sont conçus.
Pour un alliage de type α ou α + β, un refroidissement rapide de la phase β conduit à une structure aiguillée fine (morphologie aiguillée). Quand la vitesse de refroidissement diminue, le diamètre des aiguilles augmente, puis les aiguilles se transforment en lamelles d’épaisseurs de plus en plus importantes (morphologie...
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Évolutions microstructurales dynamiques et statiques
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DONACHIE (M.J.) - Titanium: a technical guide. - Jr Ed. ASM international (1988).
-
(2) - COMBRES (Y.) - Actes du colloque SF2M. - (S-O) (1994).
-
(3) - COMBRES (Y.) et al - Rhéologie de diverses morphologies d'alliages de titane Ti-6Al-4V dans le domaine de la mise en forme à chaud. - Revue française de Métallurgie, p. 225-236 (1992).
-
(4) - TAKAHASHI (K.) et al - Évolutions structurales de diverses morphologies d'alliage de titane Ti-6Al-4V au cours de la mise en forme à chaud. - Revue française de Métallurgie, p. 599-610 (1993).
-
(5) - DAJNO (D.) - Rhéologie globale et structurale des alliages de titane TA6V et β-CEZ dans les domaines α + β et β. - Thèse ENSMSE (1991).
-
(6) - COME (N.) - Déformation...
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