dans un alliage de titane TA6Zr4DE

L'invention concerne un procédé thermomécanique de fabrication d'une pièce réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE, et une pièce résultant de ce procédé.

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.

Actuellement, selon la technique utilisée par la demanderesse, les disques de compresseur haute pression sont obtenus par un forgeage comprenant une étape de forgeage de l'ébauche dans le domaine alpha/bêta et une étape de matriçage à chaud dans le domaine bêta de l'alliage de titane. Ce matriçage est réalisé environ à 1030 °C

Cette étape de matriçage sous presse est suivie d'un cycle de traitement thermique comprenant une étape de mise en solution dans le domaine alpha/bêta de l'alliage à la température de 970°C, correspondant à la température de bêta transus -30 °C, pendant une heure. Cette étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe dans de l'huile ou dans un mélange eau-polymère.

Ensuite on réalise un traitement de revenu à 595 °C pendant huit heures suivi d'un refroidissement à l'air.

Sans prise en compte de conditions particulières dans la mise en œuvre de ce procédé de fabrication, on aboutit à un alliage présentant des zones de microstructure grossière qui ne sont pas favorables à une bonne tenue de l'alliage de titane, notamment selon un essai de fatigue olygocyclique à contrainte imposée maintenue pendant un certain temps de maintien comparativement au même type d'essai de fatigue sans temps de maintien, en particulier pour une gamme de température d'utilisation comprise entre -50 °C et +200 °C. La chute de durée de vie observée lors de cet essai de fatigue suite à l'introduction d'un temps de maintien à la charge maximale conduit au phénomène appelé «dwell effect». Plus précisément, il s'agit d'un fluage à température peu élevée (inférieure à 200 °C) qui couplé avec la fatigue oligocyclique, provoque un endommagement interne du matériau jusqu'à la ruine prématurée de la pièce.

En particulier, on utilise préférentiellement un alliage dénommé «6242» qui comporte environ 6 % d'aluminium, 2 % d'étain, 4 % de zirconium et 2 % de molybdène. Il s'agit plus précisément de l'alliage

TA6Zr4DE selon la nomenclature métallurgique.

Le type de structure propice au phénomène de « dwell effect » est représenté sur la figure 1 : des aiguilles non enchevêtrées présentant une même orientation sont localisées de part et d'autre d'un joint de grain

10. Dans cette configuration appelée structure « en plume », les aiguilles sont parallèles entre elles.

A contrario, lorsque les aiguilles de phase alpha sont bien enchevêtrées, c'est-à-dire qu'elles ne se regroupent pas en paquets d'aiguilles parallèles entre elles mais sont disposées et réparties avec des orientations bien différentes (voir figure 1 : zone 20 ou ensemble de la figure 2), on obtient une structure à privilégier qui n'est pas propice au phénomène de « dwell effect ».

Ainsi, l'application dans le domaine aéronautique, et en particulier pour un disque de compresseur haute pression est très sensible à ce phénomène de « dwell effect » du fait que pendant les phases de décollage et d'atterrissage, les moteurs sont soumis à des conditions de fonctionnement dans le domaine de températures et de contraintes correspondant à ce phénomène. Ce phénomène peut conduire à des amorçages de criques de fatigue prématurées, voire à la rupture de la pièce.

Ce phénomène de «dwell effect » est très bien identifié par les constructeurs de turbomachines et il fait l'objet de nombreuses études ; de plus, il concerne tous les alliages de titane stabilisés en température : alliages de titane des classes bêta, alpha/bêta, presque alpha et alpha.

La présente invention a pour objectif de fournir un procédé de de fabrication d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE qui peut être mis en œuvre de façon industrielle et permettant de surmonter les inconvénients de l'art antérieur et en particulier offrant la possibilité de limiter l'étendue du phénomène de « dwell effect ».

La présente invention a pour objectif d'améliorer le procédé de de fabrication thermomécanique pour obtenir des pièces dont la durée de vie au phénomène du « dwell effect » est augmentée, malgré les sollicitations cycliques subies à basse température. A cet effet, la présente invention porte sur un procédé de fabrication d'une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE comprenant une étape de forgeage d'une ébauche dans le domaine alpha/bêta pour former une préforme, une étape de matriçage à chaud de la préforme pour former une pièce brute, dans le domaine bêta de l'alliage de titane, et un traitement thermique, caractérisé en ce que lors de l'étape de matriçage, la pièce brute subit en tout point une déformation locale ε supérieure ou égale à 1,2, cette étape de matriçage se terminant par un refroidissement immédiat à une vitesse de refroidissement initiale supérieure à 85°C / min, et de préférence supérieure à 100°C/min.

L'idée à la base de la présente invention correspond au fait qu'il a été constaté qu'il existe au sein du matériau des zones d'aiguilles parallèles ou colonies, propices au phénomène de «dwell effect ». On constate que de telles colonies sont formées d'aiguilles allongées de phase alpha primaire relativement grossières et jointives entre elles. De tels colonies peuvent présenter une longueur allant jusqu'à plusieurs millimètres sur une épaisseur de l'ordre de 0,1 à 1,5 mm.

De telles colonies constituent des emplacements au niveau desquels, lorsque le matériau est sous contrainte, il se produit une concentration importante de dislocations qui, lorsqu'elles s'activent, sans effet thermique particulier, peuvent provoquer des glissements entre les aiguilles, ce qui peut conduire à des ruptures.

La présente invention se propose de mettre en œuvre un procédé de fabrication permettant de limiter la taille de grains et les structures de type « colonies », en particulier en visant l'obtention de structure type « enchevêtrées », afin de minimiser les effets du «dwell effect», et ceci en diminuant l'étendue de libre circulation des dislocations, afin de minimiser leur accumulation et le risque de rupture de la pièce.

C'est pour cette raison que de façon caractéristique, selon la présente invention, on réalise non seulement une déformation minimale locale de la pièce pour obtenir une fine microstructure à l'issue de l'étape de matriçage, mais en outre on s'assure de conserver cette fine microstructure en réalisant un refroidissement immédiat et suffisamment rapide de la pièce brute à l'issue de l'étape de matriçage. Par exemple le refroidissement terminant le matriçage est réalisé par trempe à l'eau, notamment avec une eau dont la température ne dépasse pas 60°C.

Avantageusement, dans ce procédé de fabrication conforme à l'invention ledit traitement thermique comporte une mise en solution dans le domaine alpha/bêta de l'alliage suivie immédiatement par un refroidissement à une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C / min dans toute la pièce.

De préférence, le refroidissement terminant la mise en solution est réalisé par une étape de trempe de la pièce à une vitesse de refroidissement supérieure à 150°C / min, et en particulier comprise entre 200 et 450°C/min.

Avantageusement, le refroidissement terminant la mise en solution est réalisé par trempe à l'huile ou dans un mélange eau/polymère.

Ainsi, grâce à ce refroidissement rapide, on fige l'état de la microstructure dans sa situation à la fin de l'étape de mise en solution et on évite une nouvelle évolution de cette microstructure avec un grossissement des aiguilles des colonies de phase alpha propices au phénomène de « dwell effect ».

Aussi, ce choix de vitesse de trempe élevée permet de favoriser la transformation de type martensitique (qui aboutit à une microstructure plutôt fine) de la phase bêta en phase alpha par rapport au phénomène de type germination/croissance (qui aboutit à une microstructure plutôt grossière).

Egalement, de préférence, à la fin du procédé de fabrication conforme à l'invention, le procédé comporte en outre les étapes suivantes:

- on réalise, après l'étape de trempe terminant la mise en solution, une étape de revenu à une température de l'ordre de 595°C pendant une durée de l'ordre de 8h, avec un refroidissement ultérieur à l'air.

Avantageusement, le procédé de fabrication selon l'invention comporte en outre, entre l'étape de matriçage (suivie d'un refroidissement à l'eau) et l'étape de mise en solution, une étape d'usinage, et en l'occurrence de pré-usinage, visant à diminuer la massivité de la pièce. D'autres opérations d'usinage suivront pour rectifier les dimensions de la pièce et atteindre la géométrie finale.

Après l'étape de trempe, la vitesse de refroidissement doit être de préférence supérieure à 350°C/min si l'étape de pré-usinage est ajoutée.

De cette façon, on peut réduire les volumes de matière à traiter lors du traitement thermique et refroidir plus rapidement l'ensemble de la pièce.

Les inventeurs ont constaté que cette méthode de fabrication qui permet d'affiner la structure, n'a pas pour conséquence, d'affecter les propriétés thermomécaniques du matériau.

Egalement, la présente invention porte sur une pièce thermomécanique réalisée dans un alliage de titane TA6Zr4DE avec le procédé de fabrication qui vient d'être présenté.

De préférence, cette pièce thermomécanique en titane forme une pièce tournante d'une turbomachine, et en particulier un disque de compresseur, notamment de compresseur haute pression.

Enfin, la présente invention se rapporte également à une turbomachine équipée d'une pièce thermomécanique selon l'une des définitions données ci-dessus.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1, déjà décrite, montre la microstructure obtenue selon le procédé de fabrication classique de l'art antérieur ;

- la figure 2, déjà décrite, montre la microstructure type obtenue selon le procédé de fabrication selon la présente invention;

- la figure 3 illustre les étapes du procédé de fabrication selon l'art antérieur et selon l'invention, et,

- la figure 4 montre les résultats de durée de vie d'un test de fatigue (cycles « trapèze » avec temps de maintien) à température ambiante, pour une pièce résultant du procédé de fabrication de l'art antérieur et pour une pièce obtenue par le procédé de fabrication conforme à l'invention et sur deux zones (référencées 3 et 5) de massivité différente de la pièce. En relation avec la figure 3, on rappelle en quoi consiste le traitement thermique classique de l'art antérieur utilisé notamment par la société demanderesse pour des disques de compresseur haute pression réalisés dans l'alliage de titane TA6Zr4DE ou «6242».

Au départ, une ébauche ou billette de matériau est forgée dans le domaine alpha/bêta par exemple à 950°C et suivie d'un refroidissement à l'air pour former une préforme.

Cette préforme subit ensuite une étape de matriçage à chaud dans le domaine bêta de l'alliage de titane à la température de 1030 °C, correspondant à la température de bêta transus +30 °C, puis un refroidissement à l'eau après forgeage, d'où l'obtention d'une pièce brute (encore appelé « brut matricé ») destinée à former un disque.

Cette étape de matriçage est suivie d'un traitement thermique comprenant une étape de mise en solution dans le domaine alpha/bêta de l'alliage à la température de 970 °C, correspondant à la température de bêta transus -30 °C, pendant une heure.

Cette étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe à l'huile ou dans un mélange eau-polymère (vitesse de refroidissement initiale minimale de l'ordre de 200°C/min et compris entre 200 et 450°C/min).

Ensuite on réalise un traitement de revenu à 595°C pendant huit heures avec refroidissement à l'air.

On obtient un matériau présentant la microstructure visible sur la figure 1, présentant à certains emplacements des colonies constituées d'aiguilles de phase alpha parallèles entre elles et situées de part et d'autres d'un joint de grain. Ces aiguilles présentent une section de forme allongée visible sur la figure s'étendant souvent sur plusieurs centaines de micromètres.

Sur la figure 2, la microstructure visible correspond à celle d'un alliage de titane identique à celui de la figure 1, ayant subi le procédé de fabrication précité à la différence suivante près :

- lors de l'étape de matriçage, la pièce brute subit en tout point une déformation locale ε supérieure ou égale à 1,2. Avantageusement, cette valeur de déformation locale minimale ε est de 1,5, de préférence supérieure à 1,7, voire de 1,9, avec une majorité de point dépassant 2. Dans ce cas, les colonies d'aiguilles parallèles sont moins nombreuses et de plus petite taille. La majorité des aiguilles sont enchevêtrées et sont, de plus, dissemblables en taille. En effet, comme il ressort de la figure 2, les aiguilles sont toutes de taille plus petite en section, leur longueur restant inférieure à 100 micromètres, et généralement de l'ordre de 20 à 50 micromètres.

En conséquence, on peut s'attendre à ce que l'absence de grandes aiguilles alignées parallèlement empêche le phénomène de « dwell effect » par prévention des accumulations de dislocations susceptibles d'engendrer des risques de rupture.

En effet, la diminution de la taille des aiguilles s'accompagne d'une diminution de leur volume et des surfaces jointives entre aiguilles, ce qui freine l'aptitude au déplacement des défauts tels que les dislocations ou les lacunes, qui parcourent ainsi des distances plus faibles et présentent moins de possibilités de s'accumuler.

Selon la présente invention, on entend par déformation locale ε la déformation généralisée équivalente au sens de Von Mises calculée par logiciel de simulation Forge 2005. L'équation de calcul :

Avec [ε] ^ρ| qui correspond au tenseur des déformations plastiques.

Pour s'assurer que l'on a obtenu la valeur minimale de déformation locale en tout point à l'issue de l'étape de matriçage, on utilise une simulation, en utilisant des moyens de CAO (conception assistée par ordinateur).

En particulier le matériau résultant de l'ensemble du procédé de fabrication présente des caractéristiques thermomécaniques, et en particulier des propriétés de tenue en fatigue olygocycliques sous déformation imposée, qui ne sont pas plus faibles que celles des matériaux résultants du procédé de fabrication de l'art antérieur.

Un test de tenue en fatigue olygocyclique à contrainte imposée a été mené en utilisant un signal en forme de trapèze (1 s sans contrainte, 40s avec contrainte, ls sans contrainte), avec une contrainte maximale de 772 MPa, à température ambiante, pour un disque de compresseur haute pression.

Les résultats en terme du nombre de cycles avant rupture pour des essais pratiqués dans une zone 3 (correspondant à un alésage) et dans une zone 5 (correspondant à la toile) des disques, et visibles sur la figure 4, sont mentionnée dans le tableau 1 suivant :

Tableau 1

Ainsi, on constate une augmentation de la durée de vie et donc une résistance au phénomène de «dwell effect » allant d'un facteur 1,5 (en zone 3) à un facteur 4 (en zone 5), qui est très significative.

Parmi les autres essais mécaniques menés comparativement et qui ont démontré une résistance au moins aussi élevée pour une pièce issue du procédé de fabrication selon l'invention que pour une pièce issue d'une gamme standard, on peut relever des tests de traction (à 20°C et à 450°C) et des tests de fluage-allongement à 500°C.

On a également relevé une durée de vie augmentée d'un facteur 3 pour une pièce issue du procédé de fabrication selon l'invention par rapport à une pièce issue d'une gamme standard, s'agissant d'un test en fatigue vibratoire à contrainte imposée à température ambiante, sous une fréquence de 80 Hz.