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Matriçage à chaud des alliages de titane - pièce en TA6V.

Les alliages de titane possèdent de nombreuses qualités telles qu’un excellent rapport résistance mécanique/densité, une bonne résistance à la corrosion. De ce fait, ils sont largement utilisés dans de nombreux secteurs comme l’aéronautique, l’industrie pharmaceutique, le médical, le sport ou le luxe. Les pièces matricées en titane comportent des morphologies et des tailles très variables. Une particularité des alliages de titane est qu’ils conservent l’histoire thermomécanique subie par la pièce lors des opérations de mise en forme à chaud. En d’autres termes, selon le chemin thermomécanique suivi, les microstructures ne seront pas les mêmes, conduisant à des propriétés différentes. Pour cette raison, ils requièrent une attention particulière lors de leur mise en forme.

Les types d’alliages de titane

Les alliages de titane sont classés en plusieurs familles suivant leur composition et les phases dominantes à température ambiante. On distingue les alliages α, α+β et β.

Les alliages α sont constitués de 100% de phase α. Leur ductilité est faible et ils ne répondent pas aux traitements thermiques. Ils possèdent cependant une bonne résistance au fluage jusqu’à 650°C alors que les alliages β s’emploient à des températures de fonctionnement situées entre 350°C et 450°C suivant leur composition. Le T40 (grade 2) est très utilisé pour les appareils chimiques.

Les alliages α+β, sont composés de trois catégories. Tout d’abord, les alliages quasi α, avec une phase β de 5% maximum. Ensuite, les alliages α+β, composés d’une proportion de phase β variant de 5% à 20%. Un des plus répandu est le Ti-6Al-4V (appelé également TA6V) qui représente 50 % de l’utilisation mondiale du titane. Les alliages de cette famille possèdent un bon compromis en termes de facilité de mise en forme et de caractéristiques mécaniques en service. Enfin, les alliages quasi β et β métastable dont la teneur représente 25% à 35% de phase β. Ils répondent efficacement aux traitements thermiques et ont une bonne trempabilité. Le Ti 10.2.3 (Ti 10V 2Fe 3Al) est utilisé pour les pièces de structure dans l’aéronautique.

Les alliages β sont constitués de 100% de phase β à l’ambiante. Ils possèdent des caractéristiques mécaniques supérieures aux autres alliages de titane ainsi qu’une excellente ductilité. Ils peuvent être déformés à froid et ont une excellente réponse aux traitements thermiques.

L’influence des éléments d’addition

La répartition des 2 phases à l’ambiante affecte la forgeabilité ainsi que les propriétés mécaniques. Cette répartition dépend de la nature (alphagène, bétagène ou neutre) des éléments d’addition et de leur quantité. Les éléments alphagènes (Al, O₂) augmentent la température de transus β et diminuent la ductilité. Ainsi, pour une concentration de 1%  en oxygène, la température de transus augmente par exemple de 330°C. Les éléments β (Mg, Ni, Fe, Cr, V, Cu, Mo, …) diminuent la température de transus. Plus la concentration en éléments β est importante, plus la forgeabilité sera améliorée mais la sensibilité à la vitesse de déformation sera élevée.

Un « excès » d’éléments β diminue la température de transus β, ce qui augmente inévitablement la contrainte d’écoulement dans le cas du forgeage en α-β. Par exemple des éléments bétagènes comme le manganèse et nickel diminuent la température β de 22°C pour une concentration de 1%. Les éléments (Sn, Zr, Hf et Ga) sont neutres vis-à-vis de la température de transus β. Par exemple le zirconium améliore le compromis résistance mécanique-ductilité pour tous les alliages α+β.

Les différents types de matriçage du titane

On distingue 2 types de mise en forme des alliages de titane par matriçage, soit dans le domaine α-β ou dans le domaine β. Les propriétés mécaniques résultantes de la microstructure, dépendent du choix du type de matriçage.

Le matriçage dans le domaine α-β

Le matriçage dans le domaine α-β est largement repandu et consiste à ne jamais dépasser la température de transus β pendant toute la séquence de mise en forme : c’est à dire 995°C pour le Ti6Al4V et 890°C pour le Ti 17. La chauffe s’effectuera à 930°C pour le TA6V et et 825°C pour le Ti17. Il peut être pratiqué pour tous les alliages de titane et permet d’optimiser la combinaison des propriétés de rupture, ductilité et les propriétés en fatigue. La structure obtenue est de type équiaxe. Le taux de phase α présent dépendra de la température atteinte dans la pièce. Le matriçage dans le domaine α+β demande plus de puissance de presse surtout pour les alliages β. Par exemple la contrainte d’écoulement est de 75 MPa pour le TA6V à 930°C et de 120 MPa pour le Ti 17 à 825°C. Après mise en forme, les pièces sont refroidies à l’air calme.

Le matriçage dans le domaine β

Le principal intérêt du matriçage au-dessus du transus β est de diminuer les efforts de forgeage pour assurer un bon remplissage de l’outillage et permettant ainsi un forgeage near net shape. La structure obtenue améliore la ténacité, la résistance au fluage et la propagation de fissures au détriment de la résistance et de l’allongement à la traction. La taille de grain augmente si la température de la pièce est supérieure de 100°C par rapport au transus. Après matriçage, les pièces sont soient refroidies à l’air calme ou pulsé ou refroidies à l’eau, en fonction du type de microstructure souhaitée. Pour le Ti 6Al 4V, un refroidissement rapide conduira à une structure aiguillée, tandis qu’un refroidissement lent produira une structure lamellaire.

Eviter l’absorption de l’hydrogène, d’azote et d’oxygène

En plus de l’oxydation (α case en surface), il est nécessaire d’éviter toute absorption d’hydrogène à partir de 150°C, d’azote vers 600°C et d’oxygène dès 800°C. Ces contaminations augmentent avec la température et le temps de chauffe. Une teneur élevée en hydrogène fragilise le matériau. Son absorption est plus pénalisante que l’oxygène. Elle peut se faire pendant la chauffe de la pièce si le four contient des imbrûlés de gaz. Dans ce cas, il faut suroxyder l’atmosphère ou utiliser des fours électriques pour la minimiser. Les alliages de titane avec une forte proportion de phase β auront tendance à absorber plus facilement l’hydrogène. Quant à l’oxygène, une teneur conséquente fragilise le matériau, diminue fortement la ductilité et augmente la température de transus β. 

Les produits d’enverrage pour protéger le lopin

Pour éviter ces phénomènes d’absorption (H₂, O₂, N), on applique un revêtement sur le lopin ou la pièce avant la chauffe. L’objectif étant (entre autre) de former une barrière chimique avec l’atmosphère extérieure. La qualité de cette protection est dépendante de la composition du produit utilisé. Ces produits d’enverrage sont composés de fines particules de verre et de lubrifiant solide en suspension dans l’eau. En général, l’enverrage est appliqué par pulvérisation automatique ou manuelle sur des pièces qui ont été préalablement préchauffées à une température inférieure à 100°C. Suivant leur composition, on peut les classer comme isolants thermiques ou lubrifiants (fondants), facilitant ainsi l’écoulement du métal dans la gravure en complément du lubrifiant outillage. Dans certain cas, en plus de l’enverrage, on peut utiliser du tissu de verre pour limiter les échanges thermiques. Le tissu est posé alors à l’intérieur de la gravure inférieure puis sur la pièce à déformer. Cette méthode est généralement appliquée sur des pièces massives matricées avec de faibles vitesses de déformation.

Le matriçage isotherme

Le matriçage des alliages de titane est réalisé dans des outils qui sont préchauffés à des températures allant de 250°C (conventionnel) jusqu’à plus de 1000°C (isotherme). Le matriçage quasi isotherme et isotherme permet en premier lieu de limiter les efforts de forgeage qui seront sont donc moindres par rapport au matriçage conventionnel. Le gradient de température pièce-outillage étant plus faible, la déformation équivalente sera plus homogène entre la surface et le cœur de la pièce. De plus, le matriçage pourra être effectué à de très faibles vitesses.

Le choix du matériau d’outillage

La difficulté principale du matriçage isotherme est de trouver des matériaux d’outillage résistants à de telles températures de préchauffage. On utilise en particulier des outillages base nickel jusqu’à 800°C. Certains matériaux, comme les bases molybdène s’oxydent dès 400°C ce qui impose de travailler sous vide ou sous une atmosphère protectrice.

Les presses de forge

Le choix de la machine impactera la vitesse de déformation, donc la microstructure. Les vitesses de coulisseau sont très différentes suivant les presses utilisées : de 0.1 mm/s à 30 mm/s pour les presses hydrauliques, de 200 mm/s à 700 mm/s pour les presses à vis, de 50 mm/s à 1500 mm/s pour les presses mécaniques et enfin de 3000 mm/s à 9000 mm/s pour les marteaux pilons. Pour des raisons de maitrise de l’auto-échauffement et de cisaillement, le matriçage du titane sur marteau pilon est une application peu commune sur des pièces critiques. De plus le titane conduit mal la chaleur. Mais contrairement à l’acier, le titane montre une diminution de la contrainte d’écoulement lorsque le taux de déformation augmente surtout à des vitesses de déformation élevées.

Les paramètres de fabrication

Outre un contrôle strict des températures (outillage, lopin), des temps de transfert four-presse et d’attente sur outillage, la lubrification est un paramètre clé pour la réalisation de pièces complexes. Le lubrifiant majoritairement utilisé est le graphite. Il peut être sous forme solide, de pâte ou encore sous forme liquide lorsqu’il est mélangé à différents fluides porteurs comme l’huile ou l’eau. L’ébavurage est effectué à chaud ou à mi-chaud pour préserver l’outillage de découpe.

Un process encore en évolution

L’utilisation croissante des alliages de titane dans le domaine aéronautique amène les industriels vers de nouveaux défis. En effet, les pièces à réaliser sont plus fines et plus grandes et leur métallurgie associée plus complexe. Des études sont en cours sur des sujets comme la maîtrise des contraintes résiduelles ou l’amélioration de l’homogénéité de la taille de grain. Le titane n’a pas encore livré tous ces secrets …