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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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2. Fabrication des demi-produits
Les demi-produits à base de titane consistent en des barres de section ronde obtenues par forgeage, laminage ou filage, et en des produits plats obtenus par laminage. Le forgeage est actuellement la technique qui permet de transformer le lingot en un produit semi-ouvré transformable ultérieurement ; il est donc commun à tous les demi-produits.
2.1 Objectifs microstructuraux du forgeage des lingots
Le forgeage des lingots vise à obtenir des barres ou des plats présentant une macrostructure fine et homogène et une micro-structure fine et homogène, le tout étant exempt de défauts.
Par macrostructure, il faut comprendre le réseau formé par les joints des ex-grains β. Par microstructure, il faut entendre la distribution et la finesse des globules de phase α. Les défauts types sont les reliquats de retassure, les joints des grains β décorés de phase α non brisée, les décohésions, etc.
On peut vérifier par ultrasons que les trois conditions précédentes sont satisfaites et s’assurer donc ainsi de la qualité des demi-produits qui sont alors bons à être transformés en produits finis.
HAUT DE PAGE2.2 Choix des conditions de forgeage
La figure 6 présente schématiquement la structure du lingot après fusion (généralement faite par refusion à l’arc sous vide ou refusion sur sole froide). Celui-ci pèse typiquement de 1 à 10 t et a un diamètre de 300 à 1 100 mm. Les deux extrémités (tête et pied), ainsi que la surface latérale, sont constituées de grains équiaxes (quelques millimètres) à cause des refroidissements très rapides au contact du creuset refroidi à l’eau ; le centre présente des zones basaltiques assez grossières (quelques centimètres). À l’intérieur des grains équiaxes ou des grains basaltiques, on retrouve une morphologie de type lamellaire ; dans les grains équiaxes, les lamelles sont plus fines et enchevêtrées alors que les grains basaltiques présentent plutôt un aspect de larges zones à platelets parallèles.
La figure 7 montre l’évolution de la contrainte d’écoulement avec la température...
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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).
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(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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