EP1340832B1 - Produits minces en alliages de titane bêta ou quasi bêta, fabrication par forgeage - Google Patents

Produits minces en alliages de titane bêta ou quasi bêta, fabrication par forgeage Download PDF

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EP1340832B1
EP1340832B1 EP03290458A EP03290458A EP1340832B1 EP 1340832 B1 EP1340832 B1 EP 1340832B1 EP 03290458 A EP03290458 A EP 03290458A EP 03290458 A EP03290458 A EP 03290458A EP 1340832 B1 EP1340832 B1 EP 1340832B1
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EP
European Patent Office
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forging
temperature
lying
range
quenching
Prior art date
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Application number
EP03290458A
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German (de)
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EP1340832A1 (fr
Inventor
Blandine Barbier
Agathe Venard
Philippe Gallois
Pascal Vignolles
Claude Mons
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • B21K3/04—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Definitions

  • the subject of the present invention is thin products made of ⁇ or quasi- ⁇ titanium alloys, as well as the manufacture by forging of said thin products.
  • the design and development context of the presently claimed invention has been that of the manufacture of monoblock bladed disks (DAM) with linear friction welding blades.
  • Said monobloc bladed discs with reference to their mechanical properties and in particular their resistance to vibratory fatigue, are generally made of a titanium ⁇ or quasi- ⁇ alloy. They are obtained, to date, by machining, in a massive crude.
  • blades made of titanium alloys ⁇ or almost ⁇ that perform well (having good metallurgical health and good mechanical properties) have been obtained by forging (FIG. that is to say with economy of material, compared to the machining technique, conventionally implemented). Said blades also have longer lifetimes than blades obtained by machining; they can also be obtained with optimized geometries, to improve the aerodynamics, so the performance of the engine in which they are likely to intervene.
  • EP-A-0 852 164 discloses a method for producing titanium alloy turbine blades which comprises a forging step followed by localized forced cooling of the leading edges of the tip portions of said blades.
  • the forging is carried out at a temperature of 10 ° C. or more below the temperature of ⁇ -transus.
  • US-A-4,854,977 describes a large smithing process, particularly suitable for obtaining compressor disks for aircraft propulsion systems.
  • the forging operation used comprises roughing forging and final forging, advantageously started in ⁇ and finished in ⁇ - ⁇ .
  • the invention has therefore been conceived and developed, in a non-obvious manner, in the context of the manufacture of monobloc bladed disks (DAM).
  • DAM monobloc bladed disks
  • it is not limited to this context; it is also expressed, naturally, in more or less neighboring contexts, such as that of the manufacture of monoblock bladed rings (ANAM), those of the repair of said monoblock bladed discs (DAM) and bladed monoblock rings (ANAM), and more generally that of the manufacture of thin titanium products ⁇ or almost ⁇ .
  • Said products constitute the first object of the present invention.
  • the controlled forging process that leads to said products constitutes the second object.
  • the present invention therefore relates to manufactured products, not axisymmetric (the son are thus excluded), a thickness of less than 10 mm (these 10 mm specify the concepts of "thin", “thin products” , used in the present text), in titanium alloys substantially ⁇ , the core microstructure consists of whole grains having a slenderness ratio greater than 4 and an equivalent diameter of between 10 and 300 microns.
  • Titanium alloys ⁇ or almost ⁇ are familiar to the skilled person. They have a compact hexagonal structure. They are perfectly defined, especially in American Handbooks (US): ASMH (AMERICAN SOCIETY MATERIAL HANDBOOK) and MILH (MILITARY HANDBOOK). Their use is, to date, confined to the manufacture of massive forgings or thick layers.
  • the manufactured products of the invention are thin products that carry the heredity of their manufacturing process, based on one or more forging operations.
  • Their microstructure at heart is original.
  • the grains of said core microstructure have been wrought.
  • slenderness ratio greater than 4; said slenderness ratio being conventionally defined as the ratio of the largest dimension to the smallest dimension in the axial section plane.
  • They have an equivalent diameter of between 10 and 300 microns.
  • the manufactured products of the invention are new products. These new products are likely to be obtained by forging. As explained above, there was a real prejudice to seek thin structures by forging thicker coarse-grained structures and, quite surprisingly, such thin structures have been found to have very interesting characteristics.
  • the manufactured products of the invention advantageously consist of turbine engine compressor blades.
  • the invention is however not limited to this context.
  • the products in question may also consist of propellers, including submarines, fan blades or mixers (capable of intervening in environments justifying the constitution of said blades ⁇ or quasi ⁇ titanium alloys). This list can not be exhaustive.
  • the manufactured products of the invention are Ti 17 alloy.
  • This alloy familiar to the skilled person, is used to date to make massive parts, including compressor discs. It has high flow constraints and is also known to be difficult to forge.
  • the product to be forged is conventionally enamelled.
  • Said product is advantageously obtained by transformation of an enamelled billet. It generally consists of a half-product, obtained by spinning or forging a starting material, with a larger equivalent diameter (with a greater thickness). It may especially be a bar (having, for example, a diameter of 25 mm), obtained by spinning a billet.
  • titanium alloys ⁇ or close ⁇ exist mainly in the form of such billets (intended for the manufacture of compression discs by machining).
  • This enamelled product generally enamelled half product, of a diameter (equivalent) less than 100 mm, is, according to the invention, converted by forging into a manufactured product with a thickness of less than 10 mm.
  • the reduction rate at each hot is greater than or equal to (advantageously greater than) 2 and the forging speeds (or crushing speeds) are between 1 and 1.10 -5 s -1 .
  • the forging operation can be quite limited to the two hot, as specified above (the second of said two hot is imperatively a hot super-transus It may include an additional hot, sub or super transus ⁇ , before the Last (third) hot in super transus ⁇ It is not totally excluded that it includes more than three hot (the last of these hot being imperatively a hot super transus ⁇ ) but the interest to multiply the number of hot is not obvious.
  • the forging operation therefore generally includes two or three hot, implemented under the conditions specified above.
  • the forged product is optionally re-enamelled between two successive hot.
  • the forging die is maintained at a temperature of between 100 and 700 ° C.
  • the forging operation is conventionally followed by quenching (usually immediately followed by such quenching).
  • quenching can in particular be carried out under pulsed air, in calm air, in an oil bath or on a matrix. It is advantageously used under conditions that induce a cooling rate that is less than or equal to that induced by quenching in an oil bath.
  • the tempered product of the forged product is advantageously used at a temperature of between 620 and 750 ° C. for 3 to 5 hours. Its implementation conditions are optimized according to the characteristics sought for the finished product. It is ensured to perform said income under an inert atmosphere (especially vacuum or argon) if the enameling is cracked or flaking.
  • Example Making a blade made of Ti 17 by forging.

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Description

  • La présente invention a pour objet des produits minces en alliages de titane β ou quasi β ainsi que la fabrication par forgeage desdits produits minces.
  • Elle concerne plus précisément :
    • des produits manufacturés, non axisymétriques, d'une épaisseur inférieure à 10 mm, en alliages de titane β ou quasi β, qui présentent une microstructure originale ;
    • un procédé pour la fabrication desdits produits qui, de façon caractéristique, est basé sur une opération de forgeage.
  • Le contexte de conception et de développement de l'invention présentement revendiquée a été celui de la fabrication de disques aubagés monoblocs (DAM) avec pales rapportées par soudure friction linéaire. Lesdits disques aubagés monoblocs, en référence à leurs propriétés mécaniques et notamment leur résistance à la fatigue vibratoire, sont généralement en un alliage de titane β ou quasi β. Ils sont obtenus, à ce jour, par usinage, dans un brut massif.
  • A l'encontre de l'obtention par forgeage des aubes de tels disques en un alliage de titane β ou quasi β, il existait un réel préjugé. Le forgeage de structures en alliages de titane β ou quasi β, c'est-à-dire de structures à gros grains, pour élaborer des pièces de faibles épaisseurs (pales), ne pouvait a priori conduire qu'à de telles pièces, aux propriétés mécaniques (notamment tenue aux chocs, résistance à la fatigue vibratoire) décevantes.
  • De façon tout à fait surprenante, dans le cadre de la présente invention, des aubes (produits minces) en alliages de titane β ou quasi β performantes (présentant une bonne santé métallurgique et de bonnes caractéristiques mécaniques) ont été obtenues par forgeage (c'est-à-dire avec économie de matière, par rapport à la technique d'usinage, classiquement mise en oeuvre). Lesdites aubes ont de plus des durées de vie supérieures à celles des aubes obtenues par usinage ; elles peuvent par ailleurs être obtenues avec des géométries optimisées, permettant d'améliorer l'aérodynamique, donc les performances du moteur dans lequel elles sont susceptibles d'intervenir.
  • EP-A-0 852 164 décrit un procédé de production d'aubes de turbine en alliage de titane qui comprend une étape de forgeage suivie d'un refroidissement forcé localisé des bords d'attaque des portions de pointe desdites aubes. Pour les alliages α + β et quasi β, le forgeage est mis en oeuvre à une température inférieure de 10°C ou plus à la température de β-transus.
  • US-A-4 854 977 décrit un procédé de grosse forge, convenant tout particulièrement à l'obtention de disques de compresseurs pour systèmes de propulsion d'avion. L'opération de forgeage mise en oeuvre comprend un forgeage de dégrossissage et un forgeage final, avantageusement commencé en β et terminé en α-β.
  • L'invention a donc été conçue et développée, de manière non évidente, dans ce contexte de la fabrication des disques aubagés monoblocs (DAM). Elle n'est toutefois nullement limitée audit contexte ; elle s'exprime, également, tout naturellement dans des contextes plus ou moins voisins, tels celui de la fabrication d'anneaux aubagés monoblocs (ANAM), ceux de la réparation desdits disques aubagés monoblocs (DAM) et anneaux aubagés monoblocs (ANAM), et plus généralement celui de la fabrication de produits minces en titane β ou quasi β.
  • La maîtrise du forgeage, selon l'invention, de lopins en alliages de titane β ou quasi β, de faibles épaisseurs, a permis l'obtention de produits minces, en lesdits alliages de titane β ou quasi β, originaux de par leur microstructure à coeur.
  • Lesdits produits constituent le premier objet de la présente invention.
  • Le procédé de forgeage maîtrisé qui conduit auxdits produits en constitue le second objet.
  • Selon son premier objet, la présente invention concerne donc des produits manufacturés, non axisymétriques (les fils sont ainsi exclus), d'une épaisseur inférieure à 10 mm (ces 10 mm précisent les notions de "faible épaisseur", de "produits minces", utilisées dans le présent texte), en alliages de titane quasi β, dont la microstructure à coeur est constituée de grains entiers présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre équivalent compris entre 10 et 300 µm.
  • Les alliages de titane β ou quasi β (que l'on peut aussi qualifier de proche β) sont familiers à l'homme du métier. Ils présentent une structure hexagonale compacte. Ils sont parfaitement définis, notamment dans les Handbooks américains (US) : l'ASMH (AMERICAN SOCIETY MATERIAL HANDBOOK) et le MILH (MILITARY HANDBOOK). Leur utilisation est, à ce jour, cantonnée à la fabrication de pièces forgées massives ou de fortes épaisseurs.
  • De façon caractéristique, les produits manufacturés de l'invention, en lesdits alliages, sont des produits minces qui portent l'hérédité de leur procédé de fabrication, basé sur une ou plusieurs opérations de forgeage. Leur microstructure à coeur est originale. Les grains de ladite microstructure à coeur ont été corroyés.
  • Ils présentent un taux d'élancement supérieur à 4 ; ledit taux d'élancement étant classiquement défini comme le rapport de la plus grande dimension sur la plus petite dimension dans le plan de coupe axiale.
  • Ils présentent un diamètre équivalent compris entre 10 et 300 µm.
  • En lieu et place des gros grains tronqués que l'on trouve dans la structure de produits équivalents (minces) obtenus par usinage, ce sont des grains entiers, écrasés, lenticulaires que l'on trouve au coeur des produits de l'invention.
  • Les produits manufacturés de l'invention, de par les caractéristiques énoncées ci-dessus, sont des produits nouveaux. Ces produits nouveaux sont susceptibles d'être obtenus par forgeage. Comme expliqué précédemment, il existait un réel préjugé à chercher à obtenir des structures minces par forgeage de structures plus épaisses à gros grains et, de manière tout à fait surprenante, de telles structures minces se sont révélées présenter des caractéristiques très intéressantes.
  • Les produits manufacturés de l'invention consistent avantageusement en des aubes de compresseurs de turbomachines.
  • L'invention n'est toutefois nullement limitée à ce contexte. Les produits en cause peuvent également consister en des hélices, de sous-marins notamment, en des pales de ventilateurs ou mélangeurs (susceptibles d'intervenir dans des milieux justifiant la constitution desdites pales en alliages de titane β ou quasi β). Cette liste ne saurait être exhaustive.
  • Selon une variante particulièrement préférée (en aucun cas, limitative), les produits manufacturés de l'invention sont en alliage Ti17. Cet alliage, familier à l'homme du métier, est utilisé à ce jour pour fabriquer des pièces massives, notamment des disques de compresseurs. Il présente des contraintes d'écoulement élevées et a lui aussi la réputation d'être difficilement forgeable.
  • Il s'agit plus précisément de l'alliage :
    • TA5CD4, selon la nomenclature métallurgique,
    • TAl5Cr2Mo4, selon la nomenclature chimique.
  • De manière tout à fait surprenante, les inventeurs ont, dans le cadre de l'invention présentement revendiquée, forgé des pièces minces, en ledit alliage Ti17, avec des taux de corroyage importants ; lesdites pièces forgées présentant des propriétés mécaniques élevées.
  • On en vient maintenant au deuxième objet de la présente invention, à savoir le procédé de fabrication des produits nouveaux, selon la revendication 5.
  • Le produit à forger est, de façon classique, préalablement émaillé.
  • Ledit produit est, avantageusement obtenu par transformation d'un lopin émaillé. Il, consiste généralement en un demi-produit, obtenu par filage ou forgeage d'un matériau de départ, à plus gros diamètre équivalent (à plus forte épaisseur). Il peut notamment s'agir d'une barre (présentant, par exemple, un diamètre de 25 mm), obtenue par filage d'une billette. Les alliages en titane β ou proche β existent en effet principalement sous la forme de telles billettes (destinées à la fabrication de disques de compression par usinage).
  • Ce produit émaillé, généralement donc demi-produit émaillé, d'un diamètre (équivalent) inférieur à 100 mm, est, selon l'invention, transformé par forgeage en un produit manufacturé d'une épaisseur inférieure à 10 mm.
  • Pour l'obtention d'un tel produit manufacturé, aux propriétés optimisées, on préconise la mise en oeuvre du forgeage dans les conditions ci-après. L'opération de forgeage comprend au moins deux chaudes :
    • une première chaude en sub ou super transus β, généralement à une température comprise entre 700 et 1000°C ;
    • une dernière chaude en super transus β, généralement à une température supérieure à 880°C.
  • Les températures en cause sont bien évidemment dépendantes de l'alliage de Ti β ou Ti quasi β concerné.
  • Le taux de réduction à chaque chaude est supérieur ou égal (avantageusement supérieur) à 2 et les vitesses de forge (ou vitesses d'écrasement) sont comprises entre 1 et 1.10-5 s-1.
  • L'opération de forgeage peut tout à fait être limitée aux deux chaudes, telles que précisées ci-dessus (la seconde desdites deux chaudes étant impérativement une chaude en super transus Elle peut inclure une chaude supplémentaire, en sub ou super transus β, avant la dernière (troisième) chaude en super transus β. Il n'est pas totalement exclu qu'elle inclut plus de trois chaudes (la dernière de ces chaudes étant impérativement une chaude en super transus β) mais l'intérêt de multiplier ainsi le nombre de chaudes n'est pas évident.
  • L'opération de forgeage inclut donc généralement deux ou trois chaudes, mises en oeuvre dans les conditions précisées ci-dessus.
  • De façon classique, le produit forgé est éventuellement ré-émaillé entre deux chaudes successives.
  • Selon une variante de mise en oeuvre avantageuse, la matrice de forgeage est maintenue à une température comprise entre 100 et 700°C.
  • L'opération de forgeage est classiquement suivie d'une trempe (généralement immédiatement suivie d'une telle trempe). Une telle trempe peut notamment être mise en oeuvre sous air pulsé, sous air calme, dans un bain d'huile ou sur matrice. Elle est avantageusement mise en oeuvre dans des conditions qui induisent une vitesse de refroidissement inférieure ou égale à celle induite par une trempe dans un bain d'huile.
  • Le revenu du produit forgé, trempé, est avantageusement mis en oeuvre à une température comprise entre 620 et 750°C, pendant 3 à 5 h. On optimise ses conditions de mise en oeuvre en fonction des caractéristiques recherchées pour le produit fini. On veille à effectuer ledit revenu sous atmosphère inerte (notamment vide ou argon) si l'émaillage est fissuré ou écaillé.
  • Selon une variante particulièrement avantageuse, le procédé de l'invention est mis en oeuvre dans les conditions ci-après :
    • le produit long émaillé est en alliage Ti17 (TA5CD4 ou TiAl5Cr2MO4);
    • le forgeage comprend une première chaude à une température inférieure ou égale à 840 ± 10°C (en sub transus β) ou à une température supérieure ou égale à 940 ± 10°C (en super transus β) et une seconde chaude à une température de 940 ± 10°C (en super transus β);
    • la trempe est mise en oeuvre sur matrice puis à l'air calme ;
    • le revenu est mis en oeuvre à 630°C pendant 4 h.
  • Il conduit à un produit, tel que décrit dans la première partie de ce texte, qui peut notamment consister en une aube.
  • La fabrication d'une telle aube est précisée dans l'exemple ci-après, donné à titre purement illustratif.
  • Sur les figures 1 et 2 annexées, on montre, à différentes échelles, la microstructure à coeur - microstructure originale - d'une telle aube.
  • Sur la figure 1 - coupe dans les trois directions : coupe transversale selon le plan A, longitudinale selon le plan B et faciale selon le plan C ; grossissement : x 20 - on voit clairement la forme lenticulaire des grains : fortement écrasés dans les directions transversale et longitudinale et présentant une large face dans la coupe faciale.
  • Sur la figure 2 - fort grossissement : x 5000 - on montre la microstructure interne des grains. On a référencé 1 un grain écroui, 2 un grain recristallisé. Les aiguilles α sont très fines et très enchevêtrées.
    • Exemple : Fabrication d'une aube en Ti17 par forgeage.
  • Le procédé mis en oeuvre comporte les étapes successives ci-après :
    • filage d'une barre (φ < 100 mm) pour obtenir un lopin (φ : 27 mm) de 240 mm de long ;
    • émaillage ;
    • écrasement radial de la barre filée pour former la pale et le pied ;
    • matrice de forgeage portée à 200°C ;
    • vitesse de frappe (presse à vis) : 10-4 s-1 ;
    • 1ère chaude : le lopin émaillé, maintenu 45 min à 940°C (chaude en super transus β) est écrasé jusqu'à présenter une épaisseur de 13 à 8 mm.
    • 2ème chaude : conditions identiques à la 1ère. Le nouvel écrasement génère une pièce dont l'épaisseur varie de 9 à 1 mm.
    • refroidissement sur matrice puis par air calme sur table ;
    • revenu direct après forge de 630°C/4 h.
  • Il génère une aube dont la microstructure à coeur est telle que montrée sur les figures annexées.

Claims (11)

  1. Produits manufacturés, non axisymétriques, en alliages de titane quasi β, caractérisés en ce qu'ils présentent :
    - une épaisseur inférieure à 10 mm, et
    - une microstructure à coeur constituée de grains entiers, de forme lenticulaire et présentant un taux d'élancement supérieur à 4 et un diamètre équivalent compris entre 10 et 300 µm.
  2. Produits manufacturés selon la revendication 1, susceptibles d'être obtenus par forgeage.
  3. Produits manufacturés selon l'une des revendications 1 ou 2, consistant en des aubes de compresseurs de turbomachines.
  4. Produits manufacturés selon l'une quelconque de revendications 1 à 3, en alliage "Ti17 : TA5CD4 ou TiAl5Cr2MO4.
  5. Procédé de fabrication d'un produit selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des étapes successives de forgeage, trempe du produit forgé et revenu dudit produit forgé trempé, caractérisé en ce que :
    - le forgeage est mis en oeuvre sur un produit long émaillé d'un diamètre équivalent inférieur à 100 mm ; et
    en ce que
    - ledit forgeage comprend au moins deux chaudes, la première en sub ou super transus β et la dernière en super transus β; le taux de réduction à chaque chaude étant supérieur ou égal à 2 et les vitesses de forge étant comprises entre 1 et 1.10-5 s-1.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit forgeage comprend trois chaudes ; une première et une seconde, indépendamment, en sub ou super transus β et une troisième en super transus β.
  7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un réémaillage du produit entre deux chaudes.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la matrice de forgeage est maintenue à une température comprise entre 100 et 700°C.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que ladite trempe est mise en oeuvre dans des conditions qui induisent une vitesse de refroidissement inférieure ou égale à celle induite par une trempe dans un bain d'huile.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que ledit revenu est mis en oeuvre à une température comprise entre 620 et 750°C, pendant 3 à 5 h.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que :
    - ledit produit long émaillé est en alliage Ti17 : TA5CD4 ou TiAl5Cr2MO4 ;
    - ledit forgeage comprend une première chaude à une température inférieure ou égale à 840 ± 10°C ou à une température supérieure ou égale à 940 ± 10°C et une seconde chaude à une température de 940 ± 10°C ;
    - ladite trempe est mise en oeuvre sur matrice puis à l'air calme ; et
    - ledit revenu est mis en oeuvre à 630°C pendant 4 heures.
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