0 Titre corps 36 - titane.asso.fr

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Titre corps 36

Sous titre corps 20

Auteur corps 16

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Les spécificités du forgeage des alliages de titane et les dernières innovations des

procédés pour assurer la santé métallurgique des pièces

Journées Technologiques Titane 2020

Stéphane Magron – Pôle Industrie Du Futur

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Sommaire

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Spécificités de forgeage

Forgeage en condition quasi-isotherme

Revêtements anti-oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Sommaire

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Spécificités de forgeage

Forgeage en condition quasi-isotherme

Revêtements anti-oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Excellent compromis en termes de propriétés mécaniques et de

résistance à la corrosion

Des applications de pièces forgées très diverses

✓ Aéronautique & aérospatial => Eléments moteur, train

d’atterrissage, structure

✓ Nucléaire => Circuit de réacteur

✓ Médical => Prothèses osseuses, outillage de chirurgie

✓ Mais aussi dans l’armement, pharmaceutique, génie civil,

sport…

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Propriétés physiques des alliages de titane

✓ Masse volumique (env. 4,5 g/cm3)

✓ Résistance mécanique sur une plage allant des applications

cryogéniques jusqu’aux hautes températures (environ 600°C)

✓ Tenue à la corrosion notamment en eau de mer et dans

l’organisme humain

✓ Bonne forgeabilité (fonction du domaine de forgeage)

✓ Coefficient de dilatation plus intéressant que pour aluminium ou

même les aciers

✓ Module de Young proche de celui des structures osseuses

✓ Bonne soudabilité

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Propriétés mécaniques dépendantes de la structure métallurgique

Familles d’alliages classées en fonction de leur phase dominante

✓ Classe α (T40)

✓ Classe α + β (TA6V)

✓ Classe β (Ti17)

Influence des éléments d’addition

✓ Eléments αgènes: O; N; Al; C; B

✓ Eléments βgènes: H; Mo; V; Cr; Fe; Si

RM

, Re

Du

ctilité à basse T°

A%

, E (GPa)

Résistan

ce au flu

age

Den

sité

Tenu

e à la corro

sion

Forgeab

ilité

Tenu

e en fatigu

e

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Sommaire

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Spécificités de forgeage

Forgeage en condition quasi-isotherme

Revêtements anti-oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Spécificités de forgeage

De nombreux procédés de mise en forme par déformation plastique

Des nuances forgées bien connues

✓ TA6V; Ti 17; Ti10.2.3

Forge libre

Laminage circulaire

ExtrusionMatriçage

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Spécificités de forgeage

Influence de conditions de forgeage

✓ Dans le domaine β (β transus +50°C/+200°C) – structure lamellaire

=> Contrainte d’écoulement basse

=> Opérations de dégrossissage (corroyage plus élevé)

=> Ténacité; résistance au fluage

✓ Dans le domaine α + β (β transus -50°C/-200°C) – structure équiaxe

=> Contrainte d’écoulement élevée

=> Opérations de finition

=> Résistance mécanique, tenue en fatigue

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Spécificités de forgeage

Importance de la maîtrise des paramètres de la gamme de transformation

✓ Définition de la T° du β transus

✓ Plage de température de forgeage min/max serrée

✓ Sensibilité à la vitesse de déformation

✓ Taux de corroyage apporté

✓ Définition des préformes intermédiaires

✓ Typologie de presse à forger et réglage de sa vitesse

✓ Température des outillages

✓ Moyens de chauffe et réglages (risque de fragilisation à l’hydrogène)

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Spécificités de forgeage

Outils de maitrise du procédé

✓ Prédiction des comportements lors du forgeage

✓ Forgeage Isotherme => Complexe et coûteux à mettre à œuvre

✓ Revêtements anti-oxydation

Des travaux Cetim avec les industriels de la profession…

✓ Développement du forgeage en conditions quasi isotherme

✓ Innovation en matière de revêtement anti-oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Sommaire

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Spécificités de forgeage

Forgeage en condition quasi-isotherme

Revêtements anti-oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Une alternative moins contraignante au forgeage isotherme

✓ Température intermédiaire (800/900°C)

✓ Conception outillages moins contraignantes (isolation, nuance outillage)

✓ Atmosphère de presse

Premières phases de travaux de caractérisation

✓ Moyens de chauffe

✓ Isolants

✓ Nuances outillages

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Moyens de chauffe

SYSTÈME COÛTFACILITÉ DE

MISE EN ŒUVRE

SÉCURITÉHOMOGÉNEITÉ DE

CHAUFFETEMPÉRATURE

MAXIMALE

Induction -- - + - 1500°Cinfrarouge à

gaz+ - - + 750°C

Résistance plate

++ ++ + + 1200°C

colliers chauffants

+ + + + 650°C

cartouches chauffantes

+ ++ + ++ 800°C

Eléments blindés

+ + + + 650°C

Huiles - ++ -- ++ 250°C

Flammes + ++ - + 500°C

Cartouche chauffante

Collier chauffant

Flamme

Orien

tation

travau

x Cetim

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Isolants

MatériauRésistance en compression

Conductivité thermique (W/m°C)

Température maximale

Mica 400 MPa 0,3 700°C

Acier inoxydable

500 MPa 16,3 1000°C

MACOR® 345 MPa 1,5 800°C

Zircone 1800 MPa 2,5 1000°C

Silicate 200 MPa 0,2 1000°C

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Nuances outillages

Caractérisation mécanique à chaud et résistance à l’oxydation

Résistance en fonction de la température maximale d’utilisation des différents matériaux

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Essais de caractérisation

Tester l’isolation souple et par plaque

maintiens isothermes à 400°C, 700°C et 1000°C

Réalisation de calculs thermiques (analytiques et par éléments finis)

Chauffage par canne chauffante et induction

Tester l’influence de la pression

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Essais de caractérisation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Conception d’un outillage de démonstration

=> Objectif: développer un outillage représentatif

des applications industrielles

Solutions d’isolation

Outillage chauffé

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Etude thermique

Capacité de chauffe en régimes stationnaire et

transitoire

Capacité d’isolation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Etude thermomécanique

Tenue mécanique des outillages durant le forgeage

Tenue mécanique des isolants

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Validation de la conception

=> Ajout de 4 lumières

Intermédiaire & INF

SUP=> 2 x 10mm en AISI310S avec trous décalés

Intermédiaire:=> 1 X 20 mm en Macor

INF => 1 x 20mm en Mica

Chaussette isolante

=> Cas d’étude industriel

Tas plan

SUP

Disques isolants

Lancement en INCO 718

Essais de forgeage jusqu’à 750 °C

et de chauffe jusqu’à 900°C

Gravures

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Forgeage en condition quasi-isotherme

Programme d’essais (travaux en cours)

déc-19 janv-20 févr-20 mars-20 avr-20 mai-20 juin-20 juil-20 août-20 sept-20 oct-20 nov-20 déc-20 janv-21 févr-21 mars-21 avr-21 mai-21 juin-21

Lot 1 - Conception et réalisation outillageRéalisation outillage

Etude thermique SIM

Etude thermodynamique IDF / AM Valor

Compilation des données d'étude IDF

Revue de conception AM Valor

Réalisation outillage Achat

Lot 2 -Etude de faisabilité démonstrateur

Montage outillage + rectification AM Valor

Essai de chauffe / refroidissement hors presse AM Valor

Définition du protocole d'essai + Appro MP IDF

Essai à 500 °C (PAV) AM Valor

Essai à 700 °C (PH) AM Valor

Essai à 900 °C (PH) - Chauffe uniquement AM Valor

Traitement et analyse de données Tous

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Sommaire

Les alliages de titane dans le secteur de la forge

Spécificités de forgeage

Forgeage en condition quasi-isotherme

Revêtements anti-oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Les forgerons utilisent classiquement des produits d’enverragepour protéger les pièces en titane durant le chauffage et leforgeage.

Ce sont des revêtements en vitrocéramiques de bases Na2O-CaO-SiO2 et SiO2-Al2O3-CaO-Na2O

Très bonne résistance à l’oxydation et bonne barrière thermique

C’est un revêtement visqueux à haute température qui peut êtrelong à former un film homogène :La diffusion d’oxygène en début de cuisson provoquel’apparition d’une couche d’ « alpha-case ».

Revêtement d’émail observé au MEB

Recherche d’un revêtement pour remplacer ou en complément de l’enverrage

Revêtements anti-oxydation

Enverrage (émaillage)

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Aspect des échantillons de Ta6V phosphatés

Effet de la phosphatation sur l’oxydation de TiAlà 800°C

Le laboratoire LaSIE de La Rochelle avait testé avec succèsl’influence de la phosphatation sur la résistance à l’oxydation àhaute température de l’alliage TiAl .

Test du revêtement sur des échantillons de Ta6V

Réalisation du revêtement :- Au trempé dans une solution de H3PO4

- Traitement thermique sous air pendant 1h à600°C

Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Revêtements anti-oxydation

Phosphatation

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→ 5 M H3PO4 donne un revêtement cristallisé et dense de TiP2O7 après recuit à 600°C/1h

Pics du substrat non visible →épaisseur satisfaisante

Retenus pour essai d’oxydation à 900°C durant 10 heures

Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

Revêtements anti-oxydation

Essais d’oxydation

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

EnverragePhosphatationEpaisseurs de couche d’oxyde :

→ Brut : ~ 70 µm

→ Phosphatation : ~7-20 µm

→ Enverrage : 2-5 µm

La phosphatation ralentit l’oxydation mais moins que l’enverrage

Revêtements anti-oxydation

Essais d’oxydation - Résultats

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Evaluation du phénomène d’alpha-case par des profils de dureté sous les couches d’oxyde

La phosphatation semble limiter plus efficacement l’alpha-case que l’enverrage

Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

enverrage

Revêtements anti-oxydation

Influence sur les alpha-cases

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Forgeage des alliages de titane et dernières innovations

1) Le traitement de phosphatation par H3PO4 permet de générer un

revêtement protecteur de pyrophosphate TiP2O7

2) L’enverrage reste le traitement le plus efficace contre la croissance

de la couche d’oxyde sur le TA6V

3) Le traitement de phosphatation semble freiner davantage l’alpha-

case que les produits d’enverrage

La phosphatation peut être un complément intéressant à

l’enverrage

Revêtements anti-oxydation

Bilan des travaux