Procédé de fabrication de lingots en composé métallique à base de titane Arrière-olan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication de lingots en composé métallique à base de titane, tels que des alliages ou des composés intermétalliques, notamment pour la fabrication de pièces pour un aéronef.

Les lingots en alliage à base de titane, ou en composé intermétallique à base de titane, sont généralement fabriqués par fusion de fragments de matière première dans différents bassins, le métal liquide étant ensuite versé dans un creuset afin de refroidir et solidifier le métal pour former les lingots.

Toutefois, le procédé de fabrication conventionnel des lingots de titane peut aboutir à un problème d'abattement des propriétés mécaniques du lingot obtenu par rapport aux propriétés mécaniques désirées.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier un tel inconvénient en proposant, selon un premier aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane comprenant les étapes suivantes :

- fournir des fragments de matière première ;

- fondre les fragments de matière première en un métal liquide dans au moins un bassin ;

- maintenir en fusion le métal liquide dans ledit au moins un bassin ;

- verser le métal liquide du au moins un bassin dans un creuset par débordement dudit au moins un bassin dans ledit creuset ;

- former un lingot par refroidissement du métal liquide dans le creuset ; caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape suivante :

- préchauffer les fragments de matière première avant la fusion desdits fragments de matière première avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première, ladite température de préchauffage étant strictement inférieure à la température de liquidus. Une telle étape de préchauffage des fragments de matière première permet d'améliorer l'homogénéité du métal dans le bassin, notamment par réduction de la présence d'infondus dans le bassin.

De plus, un tel préchauffage permet de réduire la diminution de température dans le bassin lorsque du métal nouvellement fondu tombe dans ledit bassin, améliorant ainsi également l'homogénéité par facilitation de la dissolution des infondus dans le bassin, et accroissant la vitesse de fusion du composé métallique permettant des gains productifs.

En outre, un tel préchauffage permet de réduire le choc thermique subi par les matières premières lors de l'étape de fusion, réduisant ainsi les dégagements gazeux des matières premières. Ces dégagements gazeux peuvent provoquer des réactions qui sont susceptibles de créer des inclusions, ces inclusions diminuant les propriétés mécaniques des lingots. Les réactions provoquées par les dégagements gazeux peuvent également produire des éléments qui se déposent au niveau du creuset, diminuant ainsi les propriétés mécaniques des lingots. De plus, le choc thermique des matières premières favorise les projections de petites particules solides de matière première qui peuvent retomber plus aval dans le bassin et ainsi disposer d'une durée réduite pour se dissoudre, augmentant ainsi le risque que des particules infondus se trouvent dans le creuset et diminuent les propriétés mécaniques des lingots.

Une telle étape de préchauffage est particulièrement avantageuse pour la fabrication de lingots en composé métallique à base de titane car ces composés métalliques possèdent une température de fusion élevée (le titane possédant une température de fusion de 1668°C), les composés métalliques à base de titane présentant un risque plus élevé de présence de particules de métal non fondues lors de la formation du lingot.

Le procédé peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison suivant les possibilités techniques :

- la température de préchauffage est supérieure ou égale à la température de solidus des fragments de matière première ;

- la température de préchauffage est supérieure ou égale à 93% de la température de liquidus ; - le composé métallique à base de titane comprend au moins un élément possédant une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane ;

- le préchauffage des fragments de matière première est réalisé par induction ;

- le préchauffage des fragments de matière première par induction est configuré pour assurer une lévitation desdits fragments de matière première ;

- le préchauffage des fragments de matière première est réalisé par un générateur d'un faisceau chauffant ;

- le procédé comprend une étape de contrôle de l'orientation du générateur du faisceau chauffant ;

- le procédé comprend les étapes suivantes :

• fondre des fragments de matière première en un métal liquide dans un premier bassin ;

• maintenir en fusion le métal liquide dans le premier bassin ;

• verser le métal liquide du premier bassin dans un deuxième bassin par débordement dudit premier bassin dans ledit deuxième bassin ;

• maintenir en fusion le métal liquide dans le deuxième bassin ;

• verser le métal liquide du deuxième bassin dans le creuset par débordement dudit deuxième bassin dans ledit creuset.

Selon un deuxième aspect, l'invention propose un système de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane comprenant :

- au moins un bassin qui est configuré pour recevoir du métal liquide ;

- un convoyeur qui est configuré pour acheminer des fragments de matière première vers ledit au moins un bassin ;

- un creuset qui est alimenté par débordement dudit au moins un bassin et qui est configuré pour refroidir et solidifier le métal liquide ;

- des moyens de chauffage qui sont situés en regard du au moins un bassin et du creuset et qui sont configurés pour chauffer et faire fondre des fragments de matière première dans ledit au moins un bassin et dans ledit creuset ;

caractérisé en ce que le système comprend un dispositif de préchauffage qui est configuré pour chauffer sur le convoyeur les fragments de matière première avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première, et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première.

Le système peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison suivant les possibilités techniques :

- le dispositif de préchauffage comprend un générateur d'un faisceau chauffant ;

- le système comprend un dispositif d'acquisition d'images et un dispositif d'analyse d'images, ledit dispositif d'acquisition d'images étant configuré pour acquérir des images du préchauffage des fragments de matière première par le générateur du faisceau chauffant, et ledit dispositif d'analyse d'images étant configuré pour contrôler l'orientation du générateur du faisceau chauffant à partir des images acquises par ledit dispositif d'acquisition d'image ;

- le dispositif de préchauffage comprend un dispositif de préchauffage par induction ;

- le dispositif de préchauffage par induction est configuré pour assurer une lévitation des fragments de matière première.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 représente schématiquement un système de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane selon un mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 2 représente une première variante de réalisation d'un dispositif de préchauffage du système de fabrication d'un lingot ;

- la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif de préchauffage ;

- la figure 4 représente une vue schématique des différentes étapes d'un procédé de fabrication d'un lingot en composé métallique à base de titane selon une mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 5 représente une vue schématique des différentes étapes du procédé de fabrication mis en œuvre avec la variante du système de fabrication de la figure 1.

Description détaillée de l'invention

Comme illustrée sur la figure 1, un système 1 de fabrication d'un lingot 2 en composé métallique à base de titane comprend un convoyeur 11 sur lequel sont acheminés des fragments de matière première 3. Le convoyeur 11 peut par exemple être formé par une table vibrante, un vérin poussoir, un tapis roulant, ou une vis sans fin.

Les fragments de matière première 3 peuvent être des alliages mères, des fragments de matériaux recyclés, ou de la matière première vierge d'alliage à base de titane ou de composé intermétallique à base de titane. Typiquement, les fragments de matière première 3 peuvent être formés par des blocs de particules, telles que des copeaux, qui sont agglomérées et compactées à la presse, ces blocs possédant une longueur comprise entre 20cm et 50cm par exemple.

Par composé métallique à base de titane on comprend ici soit un alliage à base de titane, c'est-à-dire un alliage dont le titane est le principal constituant, soit un composé intermétallique à base de titane, c'est-à-dire un composé intermétallique dont le titane est le principal constituant. Un alliage est une combinaison de différents métaux, tandis qu'un composé intermétallique est une combinaison d'au moins un métal avec au moins un métalloïde.

Le composé métallique peut par exemple être un alliage parmi les alliages suivants : Til7, TiBetalô, T121S, TÎ6242, et TΊ6246 ; ou bien un composé intermétallique parmi les composés intermétalliques suivants : TiAI 48-2-2, et TiNMBl. Les exemples donnés ne sont pas limitatifs, d'autres alliages ou composés intermétalliques à base de titane peuvent être utilisés.

Le système 1 comprend au moins un bassin dans lequel les fragments de matière première 3 sont fondus. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1, le système 1 comprend un premier bassin 12 et un deuxième bassin 13 situé en aval dudit premier bassin 12. Le nombre de bassin peut cependant être plus important, le système 1 pouvant ainsi comprendre trois ou quatre bassins par exemple, ou bien moins important, le système 1 pouvant ainsi comprendre un unique bassin.

Le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 recueillent du métal liquide 4 obtenu par la fusion des fragments de matière première 3.

Le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 sont formés d'une part par une paroi qui reçoit le métal liquide 4, ladite paroi étant par exemple en cuivre, et d'autre part par un dispositif de refroidissement qui permet de maintenir la paroi à une température inférieure à sa température de détérioration, ledit dispositif de refroidissement étant typiquement réalisé par un circuit de circulation d'un liquide de refroidissement.

Les fragments de matière première 3 sont fondus dans le premier bassin 12, puis le métal liquide 4 obtenu par la fusion desdits fragments de matière première 3 est transféré dans le deuxième bassin 13.

La fusion des fragments de matière première 3 est réalisée par des moyens de chauffage 14 qui sont situés en regard du premier bassin 12 et du deuxième bassin 13.

Les moyens de chauffage 14 peuvent par exemple être formés par des torches plasma, des canons à électrons, des générateurs d'arcs électriques, des générateurs lasers, ou des moyens de chauffage par induction.

De plus, les moyens de chauffage 14 sont configurés pour maintenir en fusion le métal liquide 4 dans les premiers et deuxième bassins 12 et 13 afin de placer le métal liquide 4 dans l'état métallurgique désiré.

L'atmosphère dans laquelle sont situés le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 peut être contrôlée. Afin que le métal liquide 4 ne réagisse pas avec l'atmosphère, l'atmosphère contrôlée peut par exemple être réalisée par une atmosphère sous vide ou bien par une atmosphère de gaz inerte sous une pression contrôlée. Selon une autre variante possible, l'atmosphère contrôlée est formée par un gaz spécifique sous une pression contrôlée, ledit gaz spécifique étant adapté pour réagir avec le métal liquide 4 afin de charger ledit métal liquide 4, et ainsi le composé métallique du lingot 2, avec ledit gaz spécifique. Le premier bassin 12 et le deuxième bassin 13 peuvent également être exposés à une atmosphère non contrôlée.

Comme illustré sur la figure 1, le système 1 comprend un creuset 15 dans lequel le métal liquide 4 du deuxième bassin 13 est versé afin de refroidir ledit métal liquide 4, le solidifier et ainsi former un front d'avancement de métal solide 5 qui est mis en forme afin former le lingot 2 par coulée semi-continue.

Afin de refroidir le métal liquide 4 qui est versé dans le creuset 15, ledit creuset 15 comprend un circuit de refroidissement qui refroidi les parois dudit creuset 15. Les parois du creuset 15, qui sont refroidies par le circuit de refroidissement, sont réalisées en un matériau à forte conductivité thermique, par exemple en cuivre ou en alliage de cuivre.

Par ailleurs, comme visible sur la figure 1, les moyens de chauffage 14 sont également situés en regard du creuset 15 et sont configurés pour maintenir en fusion le métal liquide 4 dans la partie haute du creuset 15.

Le métal liquide 4 est transféré du premier bassin 12 vers le deuxième bassin 13, et du deuxième bassin 13 vers le creuset 15 par débordement. Autrement dit, le deuxième bassin 13 est alimenté par débordement du métal liquide 4 du premier bassin 12 vers ledit deuxième bassin, et le creuset 15 est alimenté par débordement du métal liquide 4 du deuxième bassin 13 vers ledit creuset 15. Une telle caractéristique permet de limiter le risque qu'une particule de métal non-fondue atteigne le creuset 15, ce qui réduirait les propriétés mécaniques du lingot 2. En effet, le métal encore solide tend à tomber au fond du premier bassin 13 et du deuxième bassin 14.

Afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques du lingot 2 du composé métallique à base de titane, le système 1 comprend un dispositif de préchauffage 16 qui est situé en regard du convoyeur 11 et qui est configuré pour préchauffer les fragments de matière première 3 avant que lesdits fragments de matière première 3 soient fondues dans le premier bassin 12.

Le dispositif de préchauffage 16 est configuré pour chauffer les fragments de matière première 3 à une température de préchauffage qui est supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première 3, et qui est strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première 3.

Une telle température de préchauffage permet de diminuer le gradient de température à l'entrée du premier bassin 12. Cela permet de faciliter la fusion des fragments de matière première 3, ce qui réduit la présence de particules de métal infondues dans les premier et deuxième bassins 12 et 13, limitant ainsi le risque que ces particules de métal infondues atteignent le creuset 15.

Le préchauffage selon l'invention permet notamment de réduire la présence des particules de métal infondues de faible taille grâce à la facilitation de la fusion de ces particules, les particules de faible taille étant les plus susceptibles de ne pas tomber au fond des premier et deuxième bassins 12 et 13 et donc d'être versées avec le métal liquide 4 dans le creuset 15.

De plus, une telle température de préchauffage permet de réduire le choc thermique subi par les fragments de matière première 3 lorsqu'ils arrivent dans le premier bassin 12. La réduction du choc thermique permet de réduire les dégagements gazeux, limitant ainsi les réactions provoquées par ces dégagements gazeux qui sont susceptibles de produire des éléments non désirés dans le composé métallique dégradant les propriétés mécaniques du lingot.

De manière préférentielle, la température de préchauffage est supérieure ou égale à la température de solidus du composé métallique, ce qui permet d'accélérer d'avantage la dissolution des particules de métal solide dans les premier et deuxième bassins 12 et 13, et permet de réduire le choc thermique. La température de préchauffage est toujours strictement inférieure à la température de liquidus de l'alliage.

Ainsi, les fragments de matière première 3 sont partiellement fondus car ils sont à une température supérieure à la température de solidus mais strictement inférieure à la température de liquidus du composé métallique.

De manière encore plus préférentielle, la température de préchauffage est supérieure ou égale à 93% de la température de liquidus de l'alliage, permettant d'accélérer encore plus la dissolution des particules de métal solide, et de réduire encore plus la différence de température subie par les fragments de matière première 3. Là encore, la température de préchauffage est strictement inférieure à la température de liquidus de l'alliage.

L'invention est particulièrement avantageuse pour les composés métalliques à base de titane qui comprennent des éléments possédant une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane, comme par exemple du molybdène, du vanadium, ou du tantale. En effet, les éléments présents dans le composé métallique qui possèdent une température de fusion supérieure à la température de fusion du titane, comme par exemple le molybdène, le vanadium et le tantale, sont des éléments qui tendent à former des particules non-fondues dans le métal liquide 4 qui peuvent atteindre le creuset 15.

Selon une première variante possible illustrée sur la figure 2, le dispositif de préchauffage 16 comprend un dispositif de préchauffage par induction 16a. Le dispositif de préchauffage par induction 16a peut être formé par un solénoïde comme cela illustré sur la figure 2, ou bien par une plaque à induction parallèle au convoyeur 11.

Selon une caractéristique avantageuse permettant de limiter la pollution des fragments de matière première 3 par le contact avec le convoyeur 11, le dispositif de préchauffage par induction 16a est configuré pour assurer une lévitation desdits fragments de matière première 3 au- dessus du convoyeur 11.

La configuration du dispositif de préchauffage par induction 16a pour assurer la montée en température progressive et la lévitation des fragments de matière première est réalisée en adaptant l'intensité et la fréquence du courant électrique traversant ledit dispositif de préchauffage par induction 16a.

Selon une deuxième variante de réalisation illustrée sur la figure 3, le dispositif de préchauffage 16 comprend un générateur 16b d'un faisceau chauffant F, comme par exemple un foyer lumineux, un générateur de faisceau à électron, une torche plasma, ou encore un générateur laser.

De manière avantageuse, afin d'améliorer l'efficacité du préchauffage des fragments de matière première 3, le dispositif de préchauffage comprend un dispositif d'acquisition d'images 16c, comme par exemple une caméra, et un dispositif d'analyse d'images 16d, comme par exemple un processeur et une mémoire sur laquelle est enregistrée un programme de traitement d'image. Le dispositif d'acquisition d'images 16c est configuré pour acquérir des images du préchauffage des fragments de matière première 3 par le générateur 16b du faisceau chauffant F.

Le dispositif d'acquisition d'images 16c est également configuré pour transmettre les images acquises au dispositif d'analyse d'images 16d. Le dispositif d'analyse d'images 16d est quant à lui configuré pour analyser les images transmises par le dispositif d'acquisition d'images 16c et contrôler l'orientation du générateur 16b du faisceau chauffant F par vérification que le faisceau chauffant F est bien dirigé vers les fragments de matière première 3, et non dirigé à côté desdits fragments de matière première 3, directement vers le convoyeur 11.

Lorsque le dispositif d'analyse d'images 16d détecte que le faisceau chauffant F n'est pas dirigé correctement, ledit dispositif d'analyse d'images 16d peut émettre une alerte pour qu'un opérateur ou un automate corrige l'orientation du générateur 16b du faisceau chauffant F. Le dispositif d'analyse d'images 16d peut également être configuré pour commander l'orientation du générateur 16b du faisceau chauffant F afin que lorsque ledit dispositif d'analyse d'images 16d détecte que le faisceau chauffant F n'est pas dirigé correctement, ledit dispositif d'analyse d'images 16d corrige automatiquement l'orientation dudit générateur 16b du faisceau chauffant F.

Le système 1 de fabrication du lingot 2 en composé métallique à base de titane est configuré pour mettre en œuvre le procédé de fabrication illustré sur la figure 4.

Comme illustré sur la figure 4, le procédé de fabrication du lingot 2 comprend les étapes suivantes :

- El : fournir les fragments de matière première 3. Cette étape El est réalisée avec le convoyeur 11.

- E2 : préchauffer les fragments de matière première 3 avec une température de préchauffage supérieure ou égale à 75% de la température de liquidus desdits fragments de matière première 3, et strictement inférieure à la température de liquidus desdits fragments de matière première 3. Cette étape de préchauffage E2 est réalisée avec le dispositif de préchauffage 16.

- E3 : fondre les fragments de matière première 3 en un métal liquide 4 dans au moins un bassin. Cette étape de fusion est réalisée après l'étape E2 de préchauffage. Cette étape de fusion E3 est réalisée avec les moyens de chauffage 14.

- E4 : maintenir en fusion le métal liquide 4 dans ledit au moins un bassin. Cette étape de maintien en fusion permet de placer le métal liquide 4 dans l'état métallurgique désiré, et permet en plus d'assurer une bonne dissolution des particules de métal non-fondues. Cette étape de de maintien en fusion E4 est réalisée avec les moyens de chauffage 14.

- E5 : verser le métal liquide 4 du au moins un bassin dans le creuset 15 par débordement dudit au moins un bassin dans ledit creuset 15.

- E6 : former le lingot 2 par refroidissement du métal liquide 4 dans le creuset 15.

Avec le mode de réalisation du système 1 illustré sur la figure 1, le procédé comprend les étapes suivantes, comme illustré sur la figure 5 :

- E31 : fondre les fragments de matière première 3 en un métal liquide 4 dans le premier bassin 12. Cette étape E31 de fusion dans le premier bassin 12 est une variante de l'étape E3 de fusion dans au moins un bassin.

- E41 : maintenir en fusion le métal liquide 4 dans le premier bassin 12. Cette étape E41 de maintien en fusion dans le premier bassin 12 est une variante de l'étape E4 de maintien en fusion dans au moins un bassin.

- E5' : verser le métal liquide 4 du premier bassin 12 dans le deuxième bassin 13 par débordement dudit premier bassin 12 dans ledit deuxième bassin 13.

- E42 : maintenir en fusion le métal liquide 4 dans le deuxième bassin 13. Cette étape E42 de maintien en fusion dans le deuxième bassin 13 est une variante de l'étape E4 de maintien en fusion dans au moins un bassin.

- E51 : verser le métal liquide 4 du deuxième bassin 13 dans le creuset 15 par débordement dudit deuxième bassin 13 dans ledit creuset 15. Cette étape E51 de versage dans le creuset 15 par débordement du deuxième bassin 13 est une variante de l'étape E5 de versage dans le creuset 15 par débordement d'au moins un bassin.

Par ailleurs, lorsque le préchauffage des fragments de matière première 3 est réalisé avec un générateur 16b d'un faisceau chauffant F, le procédé de fabrication du lingot 2 en composé métallique à base de titane peut comprendre une étape de contrôle de l'orientation du faisceau chauffant F effectuée durant l'étape de préchauffage E2 des fragments de matière première 3. Cette étape de contrôle de l'orientation du faisceau chauffant F est réalisée par le dispositif d'analyse d'images 16d à partir des images acquises par le dispositif d'acquisition d'images 16c.