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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 de l’alliage 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 et la métallurgie des poudres.
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Due to their excellent compromise between density, mechanical properties and corrosion resistance, titanium alloys have become optimal candidates for many applications, notably in the aeronautical and space sector. In the case of these alloys, thermal and thermomechanical treatment is systematically used in order to optimize the performances of the alloy and adapt its microstructure to the desired use. This article lists the fundamental principles for the manufacture of semi-finished products and finished products by forging, rolling, extrusion, wire drawing and drawing, as well as state-of-the-art techniques such as superplastic inflation and powder metallurgy.
Auteur(s)
-
Yves COMBRES : Docteur en Sciences et Génie des Matériaux - Ingénieur civil des Mines
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. Un de leurs domaines d'application privilégiés est le secteur aéronautique et spatial (disques de moteurs d'avion, trains d'atterrissage, carters, éléments de voilure...). 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 (étudié dans [M 613]), ou l’assemblage par soudage.
Nous limiterons ici volontairement notre propos à l’obtention de formes en alliage de titane par des techniques de déformation plastique et laisserons de côté les techniques de moulage, soudage, ou usinage, présentées par ailleurs [M 557].
Au moins autant, sinon plus, que pour tout autre système d'alliage, 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 [M 860].
Pour ce faire, ce texte sera divisé en trois parties. Tout d'abord, la métallurgie du titane (phases en présence, morphologie...) sera brièvement rappelée ainsi que les évolutions microstructurales dynamiques et statiques. Puis sera présentée la fabrication des demi-produits. Enfin, on abordera la fabrication des produits finis.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 1999 par Yves COMBRES
- Version courante de janv. 2023 par Yves COMBRES
DOI (Digital Object Identifier)
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Mise en forme de pièces finies2. 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 retransformable 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 microstructure 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...
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.
2.2 Choix des conditions de forgeage
-
La figure 6 présente schématiquement la structure du lingot après fusion. 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.
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La figure 7 montre l'évolution de la contrainte d'écoulement avec la température pour diverses vitesses de déformation pour une morphologie...
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