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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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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
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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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 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