EP2344290A1 - Procede de forgeage d'une piece thermomecanique en alliage de titane. - Google Patents

Procede de forgeage d'une piece thermomecanique en alliage de titane.

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EP2344290A1
EP2344290A1 EP09748827A EP09748827A EP2344290A1 EP 2344290 A1 EP2344290 A1 EP 2344290A1 EP 09748827 A EP09748827 A EP 09748827A EP 09748827 A EP09748827 A EP 09748827A EP 2344290 A1 EP2344290 A1 EP 2344290A1
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EP
European Patent Office
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forging
blank
billet
deformation
beta
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EP09748827A
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EP2344290B1 (fr
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Xavier Baudequin
Gilbert Leconte
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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Publication of EP2344290A1 publication Critical patent/EP2344290A1/fr
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Publication of EP2344290B1 publication Critical patent/EP2344290B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/04—Shaping in the rough solely by forging or pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • B21K3/04—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a method of forging a thermomechanical part made of a titanium beta or alpha / beta alloy.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a thermomechanical part comprising this forging process.
  • thermomechanical part resulting from this forging process or manufacturing method, said thermomechanical part being an alpha / beta beta forged alloy forging having a fine and homogeneous microstructure with a grain size of 1 ⁇ m. order of 50 to 100 ⁇ m.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising such a thermomechanical part.
  • the invention applies particularly, but not exclusively, to rotating parts of turbomachines, such as disks, journals and wheels, and in particular to high-pressure compressor discs, especially to DAMs (monobloc bladed disks).
  • rotating parts typically have a thickness greater than 10 mm, or even 20 or 30 mm.
  • the present invention relates to all types of titanium alloy stabilized in temperature: titanium alloys of the beta and alpha / beta classes (here we speak of the structure of the finished part).
  • the present invention particularly relates to titanium alloys designated "alpha / beta forged beta", the word “alpha / beta” corresponding to the microstructure of the part, namely with coexistence of alpha and beta titanium phases, this piece being put shaped by forging.
  • the forging process comprises in particular a final step of deformation by stamping in the beta domain of the titanium alloy.
  • beta domain of the titanium alloy corresponds to temperatures above the temperature of beta transus Tp, the temperatures below the temperature of beta transus Tp corresponding to the alpha / beta domain.
  • the forging process corresponds to the diagram of Figure 1, described below. Initially, a titanium alloy ingot obtained by melting is converted into a biilette having any desired shape, which is most of the time a cylindrical shape.
  • Such a biilette constitutes a half-product and is obtained by one or more fusions of the parent alloy and then the casting of an ingot itself forged according to a precise thermomechanical cycle (which does not correspond to the forging process according to the present invention ), in order to reduce the section of the ingot and obtain the biilette with controlled metallurgical and dimensional characteristics.
  • the fusion or fusions are carried out according to one of the following techniques: vacuum arc remelting ("VAR" for "Vacuum Arc Remelting"), beam remelting of electrons in a cold crucible (" EBCHR “for” Electron Beam CoId Heart Remelting ”) or by the Plasma Arc Melting (" PAM ”) technique.
  • This biilette is then subjected to the forging process illustrated in FIG. 1 according to a plot of the temperature to which the biilette is subjected as a function of time.
  • a first forging step is carried out, generally but not systematically, consisting of one or more intermediate forging or "rough forging".
  • the biilette is first heated (reference a) between moments to and ti from the ambient temperature T 0 to the temperature Ti lower than the temperature of beta transus Tp.
  • this temperature Ti is of the order of the temperature of beta transus T ⁇ - 60 0 C and this rise in temperature, depending on the massiveness of the biilette, takes, for example, about 2 hours for a biilette of a diameter 200 mm.
  • the twin is held at the temperature Ti (mark b) between moments tj . and t 2 , corresponding to a duration of about 1 hour or more, to ensure that all the material constituting the biilette has reached this temperature Ti, before proceeding to the actual forging operation (reference c ), that is to say to the hot plastic deformation by press (milling), pestle, rolling mill ... of the twin between moments h. and t 3 , corresponding to a duration of a few tens of seconds, thereby forming a blank.
  • the blank being in the open air, it follows a natural cooling of a few tens of 0 C of the surface of the room, while the heart of the room is cooled a little or warms of some 0 C depending on the massiveness of the part and the forging conditions, in particular the rate of deformation.
  • the blank (mark d) is allowed to cool to room temperature To, between moments t 3 and U 1 corresponding to a duration of approximately a few tens of minutes. From the moment t 4 , either the blank is left at the ambient temperature To until the moment tn from which the second stage of forging or final forging starts, or a second or several other forging (s) is carried out ( s) (marks a ', b', c ', d' for a second blank forging) similar to the first rough forging (marks a, b, c, d) described previously.
  • an alternative is to start earlier a second blank forging by heating (mark e) the blank between the times t 3 and t * of the first forging blank, ie not to wait for complete cooling up to the ambient temperature To of the blank (mark d of the first blank forging).
  • the second blank forging is started by resuming the rise in temperature of the blank (reference e) to the temperature Ti and then continuing with a temperature maintenance (reference b 1 ) preceding the forging operation properly
  • This alternative makes it possible to reduce the implementation time of the forging process without risking changing the microstructure of the billet during a complete cooling and a subsequent rise in temperature (d and ao marks).
  • the second stage of forging or final forging which starts at the moment tn, it takes steps similar to those of the rough forging except for the value of the temperature at which is carried the blank before performing the actual forging operation, since it is the temperature T 2 greater than the temperature of beta transus Tp.
  • this temperature T 2 is of the order of the temperature of beta transus Tp + 25 ° C.
  • the final forging comprises a heating of the blank (mark A) between the moments tn and tn + i from the ambient temperature To to the temperature T 2 , then a temperature maintenance T 2 (reference B) between the moments tn + i and W, before proceeding to the actual forging operation (reference C) of the blank between the moments tn +2 and tn +3 .
  • This forging operation (C mark) of the blank is performed at the temperature T 2 , in the beta domain (temperature greater than T ⁇ ), the progressive cooling of the blank during this forging operation possibly leading to a part of the blank subjected to the forging operation has a temperature less than T ⁇ and is therefore also forged at a temperature corresponding to the alpha / beta domain.
  • the forged part thus obtained (reference D), called forged blank piece or forged part, is cooled down to the ambient temperature T 0 between the moments tn + 3 and tn + 4.
  • the other forging parameters forging and final forging steps including forging speed, transfer time between the furnace and forging equipment, transfer time between forging equipment and the part cooling system After forging are defined according to the geometry and the massiveness of the part on the one hand and the industrial equipment available on the other hand.
  • the number of forging roughing as well as the characteristics of each forging operation proper (c, c ', ... C marks) of the forging and final forging stages in particular the choice of the forging equipment (hydraulic press , mechanical screw press, pestle, rolling mill), the position of the billet / blank with respect to the forging tool, the level of stress exerted and the duration, as well as the number of repetitions are defined for each type of piece, according to its geometry and massiveness, according to a pre-established procedure for progressively deforming the billet and the blank by forming, at the end of the process forging, a forging with the required geometrical characteristics.
  • a forged piece forming a product that can be described as a finished product is obtained in that this product is then no longer subject to subsequent forging and / or plastic deformation operations. ; this product will then be machined and undergo further processing, including surface conditioning according to its characteristics of use, especially within the engine forming the turbomachine.
  • the billet of titanium alloy subjected to the forging process described above initially has heterogeneous microstructures.
  • a microstructure containing one or more large grains of titanium which may have a size of up to several millimeters, or even of the order of a centimeter, especially titanium beta phase.
  • These large grains not recrystallized into smaller grains, form isolated islands which, because of their large size, are not refined, that is to say transformed into smaller recrystallized grains by the forging process described above.
  • the present invention aims to provide a forging process to overcome the disadvantages of the prior art and in particular offering the possibility of removing in the blank any presence of heterogeneous microstructures and in particular of a possible presence of large grains in the starting billet, to provide a homogeneous microstructure of the forged part.
  • the present invention relates to a forging process of a thermomechanical part in titanium beta or alpha / beta alloy, comprising the following steps:
  • a billet made of a titanium alloy having a temperature of beta transus Tp is provided; at least one forging step is carried out of said billet, in which said billet is heated to a temperature Ti lower than the temperature of beta transus Tp before performing the actual forging operation during which said billet is subjected to plastic deformation, which results in a blank, and then allowed to cool the blank;
  • a final forging step of said blank is carried out, in which said blank is heated to a temperature T 2 greater than the temperature of beta transus Tp before performing the actual forging operation during which said blank undergoes a deformation plastic, which leads to a forged part and then the cooling of the forged part.
  • the method is characterized in that said forging operation of the blank forging step performs at all points of said billet a local deformation greater than a minimum rate of deformation.
  • deformation rate here is meant the cumulative plastic deformation at a point in the part, also called equivalent deformation, which is therefore considered on the part having undergone the forging operation blank considered. It is therefore a question of carrying out during the blank forging step
  • the solution according to the present invention amounts to modifying the deformation conditions imposed on the billet during the forging process at the time of the actual forging operation (reference c and / or c ') of at least one of the rough forging steps, i.e. for the forging operation (s) performed in the alpha / beta domain, ie below the beta transus temperature Tp.
  • the solution according to the invention on the one hand applies during the rough forging step, and not during the final forging step, and on the other hand is based on a local minimum deformation, and not on a minimum overall deformation of the part.
  • the applicant has found that the final forging step does not allow, and this regardless of the local deformation rate achieved, to produce fine and homogeneous microstructures, especially if the blank (or the billet) has beforehand a heterogeneous microstructure, in particular an isolated large grain microstructure.
  • a minimum deformation rate is expected from the actual forging operation of the rough forging step of at least 0.2, preferably said minimum deformation ratio is 0.3 and preferably 0.4.
  • said minimum local deformation has indeed taken place at any point of the billet by means of numerical simulation computer tools of the actual forging operation.
  • the process relates to an alpha-beta titanium alloy.
  • one of the two following alloys is preferably used:
  • Ti 6242 the titanium alloy called "Ti 6242” or Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, which comprises about 6% aluminum, 2% tin, 4% zirconium and 2% molybdenum (alloy TA6Zr4DE according to the metallurgical nomenclature),
  • Ti 17 or TACD4 or " H-5AL-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr, which comprises approximately 5% aluminum, 4% molybdenum, 4% chromium, 2% of tin, and 2% zirconium.
  • FIGS. 2 and 3 respectively show microstructure photographs corresponding to the situation preceding the production of the forging process according to the invention, and the modified microstructure resulting from the forging process according to the invention.
  • Figure 2 there is a very large grain nonrecrystallized beta phase, a size of the order of 20 x 8 mm observed on billets.
  • a forging process has been carried out comprising a single blank forging step in which, for this blank forging step, said forging operation performs at all points of said billet a deformation greater than a minimum deformation rate equal to 0.3.
  • FIG. 3 shows that the very large beta-phase grain has recrystallized well since it results in a homogeneous, fine microstructure, namely a grain size of the order of 50 to 100 ⁇ m.
  • thermomechanical part obtained is a forged beta / alpha / beta alloy forgone which has a finer or finer microstructure with respect to the microstructure of the starting billet.
  • the fine microstructure obtained having a typical grain size of the order of a few hundred micrometers at most.
  • a forging process comprising at least two rough forging steps, having made it possible for at least two successive forging stages to be forged, said forging operation performs at all points of said billet a deformation greater than a minimum strain rate equal to 0.2; or - a forging process comprising at least a first and a second rough forging step and in which, for one of the first and the second blank forging step, said forging operation performs at all points of said billet a deformation greater than a minimum strain rate of 0.3; or - a forging process comprising at least two rough forging steps and wherein, for each rough forging step, said forging operation performs at all points of said billet a deformation greater than a minimum deformation rate equal to 0.2 .
  • two, three, four or more blank forging steps can be provided.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de forgeage d'une pièce thermomécanique, comportant les étapes suivantes : - on fournit une billette réalisée dans un alliage de titane possédant une température de bêta transus Tß; - on réalise au moins une étape de forgeage ébauche de ladite billette à une température T1 inférieure à la température de bêta transus Tß avant de réaliser l'opération de forgeage, ce par quoi on aboutit à une ébauche; - on réalise une étape de forgeage final de ladite ébauche à une température T2 supérieure à la température de bêta transus Tß avant de réaliser l'opération de forgeage, ce par quoi on aboutit à une pièce forgée. De façon caractéristique, ladite opération de forgeage de l'étape de forgeage ébauche réalise en tout point de ladite billette une déformation supérieure à un taux de déformation minimal. Application à une pièce tournante d'une turbomachine.

Description

Procédé de forαeaαe d'une pièce thermomécanique en alliage de titane
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.
L'invention 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 Tp, les températures inférieures à la température de bêta transus Tp 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 biilette présentant toute forme souhaitée, qui est la plupart du temps une forme cylindrique.
Une telle biilette 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 biilette 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 ^'électrons en creuset froid (« EBCHR » pour « Electron Beam CoId Heart Remelting ») ou par la technique de fusion par faisceau plasma (« PAM » pour « Plasma Arc Melting»).
Cette biilette est ensuite soumise au procédé de forgeage illustré sur la figure 1 selon un tracé de la température à laquelle est soumise la biilette 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 biilette est d'abord chauffée (repère a) entre les moments to et ti depuis la température ambiante T0 jusqu'à la température Ti inférieure à la température de bêta transus Tp. Habituellement, cette température Ti est de l'ordre de la température de bêta transus Tρ - 600C et cette montée en température, dépendante de la massivité de la biilette, prend, par exemple, environ 2 heures pour une biilette d'un diamètre 200 mm.
Ensuite, la bîllette est maintenue à la température Ti (repère b) entre les moments tj. et t2, correspondant à une durée d'environ 1 heure ou plus, pour s'assurer que l'ensemble de la matière constituant la biilette a atteint cette température Ti, avant de procéder à l'opération de forgeage proprement dite (repère c), c'est-à-dire à la déformation plastique à chaud par presse (matrîçage), pilon, laminoir...de la bîllette entre les moments h. 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 0C de la surface de la pièce, tandis que le cœur de la pièce soit se refroidit un peu soit se réchauffe de quelques 0C 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 To, entre les moments t3 et U1 correspondant à une durée d'environ quelques dizaines de minutes. A partir du moment t4, soit on laisse l'ébauche à la température ambiante To jusqu'au moment tn 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 Ti inférieure à la température de bêta transus Tβ, en particulier la même température Ti 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 t* du premier forgeage ébauche, c'est à dire à ne pas attendre le refroidissement complet jusqu'à la température ambiante To 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 Ti puis on continue avec un maintien en température (repère b1) 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 aθ-
S'agissant de la deuxième étape de forgeage ou forgeage final, qui débute au moment tn, 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 Tp. Habituellement, cette température T2 est de l'ordre de la température de bêta transus Tp +25°C. Plus précisément, le forgeage final comporte une chauffe de l'ébauche (repère A) entre les moments tn et tn+i depuis la température ambiante To jusqu'à la température T2, puis un maintien en température T2 (repère B) entre les moments tn+i et W, avant de procéder à l'opération de forgeage proprement dite (repère C) de l'ébauche entre les moments tn+2 et tn+3. Cette opération de forgeage (repère C) de l'ébauche est réalisée à la température T2, dans le domaine bêta (température supérieure à Tβ), 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 Tβ 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 tn+3 et tn+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 Tp ; - on réalise au moins une étape de forgeage ébauche de ladite billette, dans laquelle on chauffe ladite billette à une température Ti inférieure à la température de bêta transus Tp 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 Tp 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.
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. II 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 Tp.
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 constitué 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 Tp,, 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 Tp , 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 Ia température atteinte
(température Ï2>température de bêta transus Tp), 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 préférentiel lement 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 "H-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 Til7 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 Tp ;
- on réalise au moins une étape de forgeage ébauche (a, b, c, d ; a', b', c', dθ de ladite billette, dans laquelle on chauffe (a ; a' ; e) ladite billette à une température Ti inférieure à la température de bêta transus Tp avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite (c ; cθ au cours de laquelle ladite billette subit une déformation plastique, ce par quoi on aboutit à une ébauche, puis on laisse refroidir l'ébauche (d ; à1) ;
- on réalise une étape de forgeage final (A, B, C, D) de ladite ébauche, dans laquelle on chauffe (A) ladite ébauche à une température T2 supérieure à la température de bêta transus Tp avant de réaliser l'opération de forgeage proprement dite (C) 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 (D), 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.
2. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est d'au moins de 0,2.
3. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est de 0,3. 4. Procédé de forgeage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit taux de déformation minimal est de 0,
4.
5. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première et une deuxième étapes de forgeage ébauche et en ce que pour la première ou 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.
6. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qull comporte 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.
7. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étapes de forgeage ébauche et en ce 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.
8. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étapes de forgeage ébauche et en ce que 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.
9. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane est un alliage de type alpha-bêta.
10. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage de titane est le
« Ti 6242» ou Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo.
11. Procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'alliage de titane est le «Ti 17» ou Tî-5ÂL-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr.
12. Procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane, caractérisé en ce qu'il comprend un procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications précédentes
13. Pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane dont le procédé de fabrication comporte le procédé de forgeage selon l'une quelconque des revendications l à 11 ou résultant du procédé de fabrication selon la revendication 12, 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.
14. Pièce thermomécanique selon la revendication 13 caractérisée en ce qu'elle forme une pièce tournante d'une turbomachine.
15. Pièce thermomécanique selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle forme un disque de compresseur haute pression.
16. Turbomachine comprenant une pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications 13 à 15.
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