Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Georges BROIHANNE : Ingénieur de l’École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique de Poitiers (ENSMA) - Créateur de la Société TARAMM SA (Titane et Alliages Rares Micro‐Moulés)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les premières démonstrations d’un procédé industriel de fusion et de coulée du titane ont eu lieu aux États‐Unis en 1954, par fusion sous vide dans un four à arc à électrode consommable et coulée sous vide dans un moule usiné dans un bloc de graphite de haute densité. En France en 1968 par fusion sous vide par bombardement d’électrons et coulée dans un moule réalisé avec une poudre de graphite comprimée sur un modèle métallique.
En France, la perspective du développement de l’avion supersonique Concorde et du moteur militaire SNECMA M53 (de la Société Nationale d’Étude et de Construction de Moteurs d’Avions) a accéléré le développement de ce procédé pour des pièces de formes complexes devant travailler à des températures de l’ordre de 400 oC (donc interdisant les alliages d’aluminium).
La fonderie de titane se présente en effet comme un moyen économique d’obtention des formes complexes et, en particulier, des formes creuses impossibles à obtenir par forgeage ou usinage.
Il est possible, à l’heure actuelle, par le procédé de moulage dit à la cire perdue de réaliser en fonderie de titane presque toutes les formes habituelles des pièces réalisées en fonderie d’acier par le même procédé.
Les pièces réalisées ont des masses variant de quelques grammes à quelques centaines de kilogrammes. Les épaisseurs minimales sont de l’ordre du millimètre et peuvent encore être réduites à quelques dixièmes de millimètre par usinage chimique fluonitrique.
La technique du noyautage, pour l’obtention de canaux de grande longueur par rapport à leur diamètre, est cependant encore en développement et impose des limitations (à examiner cas par cas par le client et le fondeur).
Les caractéristiques mécaniques statiques obtenues sur pièces de fonderie en alliages de titane sont très proches de celles des pièces forgées. Pour l’alliage TA6V, le plus utilisé, la résistance minimale à la traction est de l’ordre de 880 MPa, la limite d’élasticité de l’ordre de 780 MPa et l’allongement à la rupture de l’ordre de 8 %.
La santé métallurgique interne des pièces est considérablement améliorée par l’emploi du compactage isostatique à chaud qui consiste à densifier les pièces en les soumettant à une pression d’argon d’environ 1 000 bar (rappelons que 1 bar = 105 Pa) à une température de l’ordre de 920 oC pendant 2 h (pour le TA6V). Il en résulte une amélioration des propriétés de fatigue des pièces qui se rapprochent alors de celles des pièces obtenues par corroyage.
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Fusion
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1. Problèmes posés par la coulée
Le titane liquide a la propriété d’être très réactif vis‐à‐vis de la plupart des gaz, des métaux, du carbone et des matériaux réfractaires. Il est en particulier extrêmement avide d’oxygène. La coulée du titane se heurte donc à deux obstacles majeurs :
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le choix de la méthode de fusion, étant donné le risque de réaction du métal liquide (1 800 à 2 000 oC) avec le creuset ;
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le choix du matériau constituant le moule dans lequel va être versé le métal.
Par ailleurs, la réactivité du titane vis‐à‐vis de l’oxygène impose la fusion et la coulée sous vide ou sous atmosphère inerte (argon).
1.1 Fusion dans un creuset froid
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Réactivité du titane à l’état liquide
Il est possible de fondre de petites quantités de titane (inférieures à 150 g) par induction sous vide ou sous argon, dans un creuset constitué d’un oxyde très stable (oxyde de zirconium, oxyde d’yttrium), à condition que cette fusion n’excède pas quelques dizaines de secondes et que la coulée lui succède immédiatement. De petites machines permettant d’obtenir ces conditions sont commercialisées et proposées généralement à des prothésistes dentaires pour l’obtention de bridges et de couronnes.
Bien que le creuset n’ait pas le temps d’être porté à une température aussi élevée que celle du métal, il est cependant assez chaud pour favoriser l’enrichissement du titane en oxygène (provenant de l’oxyde constituant le creuset), ce qui augmente la fragilité de la pièce coulée. La durée de vie d’un tel creuset est de l’ordre d’une dizaine de coulées.
Pour la fusion de quantités de métal très supérieures, il n’est plus possible de limiter la réaction du creuset chaud avec le métal liquide, c’est pourquoi toutes les fonderies de titane utilisent le principe du creuset froid.
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Creuset froid et auto‐creuset ou skull
Ce creuset est généralement en cuivre refroidi dans sa masse par une circulation d’eau interne. Dès que le métal commence à fondre, il se resolidifie immédiatement au contact de la paroi interne du creuset froid, constituant ainsi une croûte de titane solide...
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Problèmes posés par la coulée
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GARNIER (M.), PAILLERE (P.) - La coulée 4C : une première mondiale en électrothermie dans la région Rhône‐Alpes. - Journal français de l’Électrothermie no 38 mars/avril 1989.
-
(2) - * - Les conférences internationales sur le titane (qui ont lieu tous les 4 ans) font l’objet de comptes rendus très détaillés dont certains concernent la fonderie.
ANNEXES
CARAYON (G.-A.) - Influence et optimisation des paramètres de coulée du titane en odontologie : caractérisation des pièces coulées. - Nice (1997).
STREIFF (E.) - Contribution à l'étude métallurgique du moulage de précision de petites pièces en titane et en TI-6AL-4V. - INSA Rennes (1997).
HAUT DE PAGE2.1 Association Française de Normalisation (AFNOR)
NF S 94‐080-3 - 1‐97 - Implants chirurgicaux. Alliage de titane TA6V. Partie 3 : produits semi‐finis obtenus par moulage. - -
HAUT DE PAGE2.2 American Society for Testing and Materials (ASTM)
B 367‐93...
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