Analyse et optimisation des procédés de formage de pièces en alliage de Titane

Propriétés du Ti6242

Le Ti6242 est principalement utilisé pour les éléments de turbines à gaz tels que des aubes de compresseur, des disques et roues. Le Ti6242 se retrouve aussi sous forme de tôle pour les structures de post-combustion du moteur et pour diverses applications « à chaud » de la cellule du fuselage, où une grande résistance, une excellente résistance au fluage, et une stabilité à la contrainte sous température jusqu’à 565°C sont nécessaires. 

Propriétés mécaniques

Le Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si (Ti6242), a été développé dans les années 1960 pour les applications à haute température, il possède une combinaison exceptionnelle de résistance à la traction, une résistance au fluage, une limite élastique et une stabilité à haute température pour des applications sur le long terme à des températures jusqu’à 425°C. Le Ti6242 est l’un des alliages de titane les plus résistants au fluage et est recommandé pour une utilisation jusqu’à 565°C. Un traitement thermique approprié est important pour permettre à l’alliage de développer sa résistance maximale au fluage. Les propriétés mécaniques du Ti6242 sont dans le Tableau 2.7. Tableau 2.7 – Propriétés mécaniques du Ti6242 Propriétés Symboles Valeurs Unités Contrainte maximale avant rupture Rm 1000 MPa Limite d’élasticité à 0,2% Rp0,2 895 MPa Allongement à la rupture A% 12 % Module d’Young E 115 GPa Masse volumique ρ 4,54 g.cm-3 Des essais de compression ont été effectués à différentes températures sur un alliage de Ti6242 afin de voir l’influence de la température sur la contrainte ainsi que sur la déformation (Figure 2.27). Plus la température est élevée, plus la contrainte nécessaire pour déformer le matériau est faible et la déformation est grande, cependant un résultat remarquable est obtenu entre 600°C et 700°C, un gap important au niveau de la déformation est obtenue. En effet, la déformation passe de 0,15 à 0,5 en passant d’un essai de compression de 600°C à 700°C. Cette information est très intéressante pour l’étude car le champ de température étudié est de 630°C à 730°C. Analyse et identification comportement d’alliages de titane 41 Figure 2.27 – Contrainte vraie par rapport à la déformation vraie du Ti6242 à différentes température à une vitesse de déformation de 0,05 s -1 en compression (Odenberger 2009) 

Anisotropie et écrouissage

Très peu d’information sont disponibles dans la littérature sur l’anisotropie et l’écrouissage du Ti6242. Cependant Odenberger (Odenberger, 2009) a testé des essais de compression sur un alliage de Ti6242 à 800°C dans différentes orientations ainsi que l’épaisseur de la pièce laminée (Figure 2.28). Même si aucune étude sur les coefficients de Lankford n’a été effectuée, il est tout de même intéressant d’analyser les variations de la contrainte en fonction de la déformation à différentes orientations. Au niveau de la déformation maximale avant rupture, il ne semble pas y avoir de différence, l’impact sur la déformation maximale avant rupture semble donc être affecté principalement par la température de l’essai. Néanmoins des évolutions de contraintes sont mesurées à différentes orientations, les limites élastiques varient en fonction de l’orientation du matériau, l’anisotropie est donc remarquable sur l’alliage Ti6242 à 800°C. L’évolution de la contrainte dans le domaine plastique montre que l’écrouissage est différent en fonction de l’orientation du matériau. Même si aucune information n’a été trouvée sur le coefficient d’écrouissage du Ti6242, il est visible sur les courbes de compression à chaud des Figure 2.27 et Figure 2.28 que l’écrouissage varie en fonction de la température et de l’orientation du matériau.  Figure 2.28 – Contrainte vraie par rapport à la déformation vraie sur un essai de compression à 800°C d’un alliage Ti6242 dans différentes directions (Odenberger 2009) 

Sensibilité à la vitesse de déformation

Des essais de compression à chaud ont été testés sur un alliage de Ti6242 à différentes vitesses de déformation à 800°C (Figure 2.29). Peu de différences ont été mesurées entre les vitesses de déformation de 0,5 s-1 et 1 s-1 , ce résultat n’est pas étonnant, cela ne représente pas une grosse différence de vitesse de déformation. Néanmoins en comparant une vitesse de déformation de 0,5 s-1 et une de 0,05 s-1 , un gap significatif sur la contrainte a été mesuré. Cela montre clairement une sensibilité à la vitesse de déformation à haute température du Ti6242. Figure 2.29 – Contrainte vraie par rapport à la déformation vraie sur un essai de compression à 800°C d’un alliage Ti6242 dans différentes directions à différentes vitesses de déformation (Odenberger 2009) Analyse et identification comportement d’alliages de titane 43 2.4.4 Composition L’élément d’addition aluminium de 6% de la composition du Ti6242 est un stabilisant de phase 𝛼 puissant, tandis que l’addition de 2% de molybdène ne représente qu’une faible quantité de cet agent stabilisant efficace de phase 𝛽. L’étain et le zirconium sont ajoutés en tant qu’éléments de renforcement de la solution solide et sont neutres par rapport à la stabilisation de phase. L’effet de cette combinaison d’éléments d’alliage est la génération d’un d’une phase β-stabilisé. Comme il est faiblement stabilisé en phase β, l’alliage est également décrit comme un quasi-𝛼, ou un alliage 𝛼-𝛽. La composition du Ti6242 se retrouve dans le Tableau 2.8. Tableau 2.8 – Composition du Ti6242 Alloy Al Mo Zr Sn O C N Ti Ti6242 6 2 4 2 <0,15 <0,08 <0,05 Bal La composition originale de cet alliage ne contient pas de silicium, mais un contenu nominal de silicium de 0,08 % a été introduit, ce qui permet à l’alliage de répondre aux exigences de fluage pour ses applications d’avion à réaction. Avant que les grandes applications commerciales ne soient développées, tous les producteurs avaient ajouté du silicium à la composition originale du Ti6242. La dilatation du Ti6242 est importante à haute température (Figure 2.30) et ne doit pas être négligée. Figure 2.30 – Coefficient de dilatation d’une tôle de Ti6242 (valeur moyenne entre le sens longitudinal et transversal) (tracé avec les résultats de Dotson 1967)

Phases et structures

Les structures des alliages de Ti6242 sont généralement 𝛼 équiaxes dans une matrice 𝛽 transformée. Les grains 𝛼 équiaxes trouvés dans les produits de tôle ont tendance à être plus petits et en plus grande proportion que ceux qu’on trouve dans les pièces forgées. La phase 𝛼 primaire est typiquement de l’ordre de 80 à 90 % de la structure des produits en tôle et peut  être plus faible que dans les produits forgés, parce que la température finale de forgeage est normalement supérieure à la température finale de laminage utilisée pour la mise en forme de tôle. Comme dans les autres alliages quasi-𝛼, de petites quantités de phase 𝛽 résiduelle peuvent être observées métallographiquement à l’intérieur de la partie de 𝛽 transformée de la structure, typiquement entre les grains 𝛼 aciculaires de la phase transformée. Les valeurs de transformation allotropiques du Ti6242 sont similaires à celles du TA6V pour le passage de la phase 𝛼 à la phase β (βTransus du Ti6242 : 995°C). 2.4.6 Résistance à la corrosion et propriétés chimiques La résistance à la corrosion du Ti6242 n’est pas bien documentée, mais elle est comparable à d’autres alliages à base de Ti-6Al comme le TA6V (Poquillon et al. 2013). La teneur en molybdène du Ti6242 n’est pas suffisamment élevée pour conférer une résistance à la corrosion en atmosphère réductrice. La résistance à la corrosion caverneuse du Ti6242 est inférieure à celle du T40, parce que la corrosion caverneuse est généralement associée à l’acidification de l’appauvrissement de l’oxydant. Concernant l’oxydation, un film d’oxyde bleu se forme après une exposition d’environ 6 à 10h ne dépassant pas 540°C. Aucune dégradation des propriétés mécaniques n’a été observée en milieu oxydant sur le long terme. Dans un environnement fortement oxydant, la résistance est comparable à celle d’un T40 ou TA6V (Poquillon et al. 2013).

Aptitude au formage

Le Ti6242 est formé dans la plupart des cas à chaud au-delà de 600°C. La production normale de ce matériau s’effectue à 680°C, mais des températures plus élevées peuvent être utilisées en cas de besoin de plus grandes déformations, voire de formage superplastique. La Figure 2.27 met en avant le besoin d’augmenter la température afin d’atteindre de plus grande déformation. Néanmoins le cas de certaines pièces ne nécessitant que peu de déformation, la mise en forme s’effectue à plus basse température en dessous de 600°C afin d’augmenter les cadences de mise en forme. 

Critère d’anisotropie 

Coefficients d’anisotropie uniaxiale

En raison de leur structure cristallographique et des caractéristiques de l’opération de laminage, les tôles présentent généralement une anisotropie significative des propriétés mécaniques. En effet, le procédé de laminage induit une anisotropie particulière caractérisée par la symétrie des propriétés mécaniques par rapport à trois plans orthogonaux. Un tel comportement mécanique est appelé orthotropique. Les lignes d’intersection des plans de symétrie sont les axes d’orthotropie (Figure 2.31). En utilisant les notations de la Figure 2.32, l’équation (2.1) peut être écrite sous la forme : 𝑟 = 𝑙𝑛 𝑤 𝑤0 𝑙𝑛 𝑡 𝑡0 (2.5) Figure 2.31 – Axes d’orthotropie d’une tôle laminée (RD : direction de laminage, TD : direction transverse au sens de laminage, ND : direction normale au laminage) Figure 2.32 – Géométrie de l’éprouvette : (a) avant et (b) après déformation ND TD RD Chapitre 2 46 où 𝑤0 et 𝑤 sont la largeur initiale et finale, tandis que 𝑡0 et 𝑡 sont les épaisseurs initiale et finale de l’échantillon. Comme l’épaisseur de l’échantillon est très faible par rapport à sa largeur en général, les erreurs de mesure relatives des deux déformations vont être tout à fait différentes. Par conséquent, les relations ci-dessus sont remplacées par une quantité impliquant le même ordre de grandeur : la longueur et la largeur de l’éprouvette. En tenant compte de la conservation du volume : 𝜀11̇ + 𝜀22̇ + 𝜀33̇ = 0.