Procédés de travail à chaud du titane et de ses alliages

Un résumé et une explication systématiques de la situation de la Chine procédés de travail à chaud du titane et des alliages de titane ont été réalisés.

Titane et alliages de titane possèdent d'excellentes propriétés globales telles qu'une résistance spécifique élevée, un module spécifique, une ténacité, une résistance élevée à la corrosion, une résistance aux températures élevées, une soudabilité et une absence de magnétisme. Ils sont largement utilisés dans divers domaines tels que l'aviation, l'aérospatiale, la construction navale, le pétrole, la chimie, l'armement, l'électronique et le traitement médical. Dans les années 1960, les pays industrialisés tels que les États-Unis, le Royaume-Uni et l'ex-Union soviétique ont largement utilisé le titane et les alliages de titane dans la fabrication d'avions et de moteurs d'aviation. L'application du titane et de ses alliages dans l'industrie aéronautique chinoise a commencé relativement tard. C'est dans les années 1980 qu'une petite quantité de titane et d'alliages de titane a été progressivement utilisée dans la fabrication d'avions et de moteurs d'aviation. Toutefois, après l'entrée dans le XXIe siècle, le niveau d'application du titane et des matériaux d'alliage de titane dans l'industrie aéronautique chinoise s'est considérablement amélioré. Après près de 40 ans d'efforts en Chine, des progrès significatifs ont été réalisés dans la microstructure des alliages, la technologie de traitement, l'alliage et d'autres technologies. Au cours des 20 dernières années en particulier, grâce à la recherche sur les pratiques d'ingénierie et aux essais exploratoires réalisés par des chercheurs de divers instituts de recherche, fabricants professionnels et universités, le traitement à chaud du titane et de l'alliage de titane en Chine a formé un système technologique de traitement relativement complet.

1. Classification du titane et de ses alliages

Les méthodes de classification du titane et des alliages de titane comprennent la classification de McGellen, la classification du coefficient de stabilité β et la classification de définition dans la norme GB/T 6611-2008. Il existe quelques différences dans la littérature concernant la classification du titane et des alliages de titane, mais la classification générale est cohérente. Voici une brève introduction à la classification McGovern. Cette méthode de classification est la méthode de classification de McGovern en 1956 selon la composition de phase de l'état de recuit du titane et de l'alliage de titane. Initialement, le titane et les alliages de titane étaient divisés en trois catégories : les alliages de type α, les alliages de type α + β et les alliages de type β. Cependant, avec le développement rapide de la recherche et de l'application du titane et des alliages de titane, il existe de plus en plus de types d'alliages de titane, et les limites de cette méthode de classification classique de McGovern sont de plus en plus importantes. Par conséquent, les descendants ont amélioré cette base et divisé le titane et les alliages de titane en cinq catégories : la structure de base du titane et des alliages de titane après le recuit est la phase α, qui est appelée alliage de type α. La structure de base après le recuit est la phase α + la phase β, mais la phase α est principalement appelée alliage de type α proche. La structure de base après le recuit est la phase α + la phase β, qui est appelée alliage de type (α + β). La structure de base après le recuit est la phase β, mais il existe une certaine phase α appelée alliage de type proche β. La structure de base après le recuit est la phase β, qui est le type β de l'alliage.

2. Structure du titane et de ses alliages

2.1 Microstructure des alliages de titane de type proche α et de type α + β

2.1.1 L'organisation Weinstein

En général, il s'agit de la structure telle que moulée du titane et de l'alliage de titane, ou la température de début et de fin de déformation de l'alliage de titane se situe dans la région de la phase β, la déformation n'est pas très importante (généralement moins de 50%), ou lorsque l'alliage est chauffé jusqu'à la phase β et ensuite lentement refroidi, la structure Widmanstatten sera obtenue. La structure Widmanstatten est caractérisée par des grains β d'origine grossiers, et un joint de grain α clair est distribué sur le joint de grain β d'origine. Le cristal β d'origine est un domaine de faisceau α lamellaire, et le α lamellaire est une phase β, comme le montre la figure 1 (a).

2.1.2 Organisation du panier net

L'alliage de titane se déforme près de la température de transition β ou commence à se déformer dans la région de la phase β mais termine la déformation dans la région biphasée, et la quantité de déformation est de 50%-80%. La structure en tresse de panier est caractérisée par la destruction de la limite de grain β d'origine au cours du processus de déformation ; aucune ou seulement une petite quantité de limite de grain granulaire α apparaît, et la feuille α dans le grain β d'origine devient plus courte (c'est-à-dire que le rapport d'aspect est petit), la taille du domaine du faisceau α est petite. Les grappes sont entrelacées, comme le montre la figure 1 (b).

2.1.3 Organisation mixte

L'alliage de titane est déformé dans la partie supérieure de la région biphasée, ou après déformation dans la région biphasée ; il est chauffé à la température supérieure de la région biphasée, puis refroidi à l'air pour obtenir une structure mixte. La structure mixte est caractérisée par la distribution de particules α primaires non connectées sur la matrice de transformation β, et leur nombre est inférieur à 40% (défini comme 50% dans la littérature). Il existe deux formes de α dans la structure mixte : les particules α primaires équiaxes et les bandes α secondaires sur la matrice β transformée. La plupart des publications parlent d'organisation à deux états. Cependant, en raison du développement d'une organisation à trois états basée sur l'organisation à deux états dans les années 1990, il est plus approprié de l'appeler organisation mixte, qui comprend une organisation à deux états et une organisation à trois états. Expression de l'organisation à trois états : (α + α + β) organisation, caractéristiques : α ≈ 10%-20%, α ≈ 60%-70%, et imbrication chaotique, comme le montre la figure 1 (c).

2.1.4 Structure isométrique

La structure équiaxe peut généralement être obtenue lorsque l'alliage de titane est déformé dans la région biphasée en dessous de la température de formation de la structure bimodale (environ 30-60 °C en dessous du point de transition de phase β). La structure équiaxe est caractérisée par une distribution uniforme de la matrice α primaire équiaxe avec une teneur supérieure à 40%, et il y a une certaine quantité de structure β. Plus la température de déformation est basse, plus la densité α primaire et la densité de dislocation sont importantes. La teneur en α primaire équiaxe définit principalement la structure mixte et la structure équiaxe. La littérature définit que la teneur en α primaire équiaxe est supérieure à 50%. Cependant, il est actuellement reconnu que la teneur en α primaire équiaxe est supérieure à 40%, voire à 70%-80%. La morphologie de l'α primaire équiaxe comprend les formes suivantes : sphérique, elliptique, en forme d'olive, en forme de bâton et de marteau, et en forme de longue bande. Structure équiaxe = (α + β) = (α + α + β). La matrice de β comprend de fines bandes α, et le fond noir entre les bandes fines est le β résiduel, comme le montre la figure 1 (d).

2.2 Microstructures du titane et des alliages de titane de type α et de type β

La microstructure typique du titane et de l'alliage de titane de type α est un grain α unique, comme le montre la figure 1 (e) ; la microstructure typique de l'alliage de titane de type β est un grain β unique, comme le montre la figure 1 (f). Les propriétés du titane et des alliages de titane sont déterminées par leur microstructure, et la microstructure du titane et des alliages de titane est principalement déterminée par le traitement thermique (forgeage, traitement thermique).

3. Forgeage du titane et des alliages de titane

3.1 Objectif de la forge

3.1.1 Amélioration de la microstructure et des propriétés

La billette la plus originale pour le titane et l'alliage de titane forgeage est un lingot. Au cours de la processus de forgeagela structure telle qu'elle a été coulée subit une déformation et une recristallisation. Les dendrites grossières et les grains colonnaires d'origine se transforment en structures recristallisées équiaxes avec des grains fins et de taille uniforme. Parallèlement, la ségrégation, la porosité, les pores et les fissures d'origine dans le lingot rendent la structure du métal plus dense et améliorent la plasticité et les propriétés mécaniques du métal.

3.1.2 Modifier la forme et la taille

Afin d'obtenir les spécifications et les dimensions requises pour les pièces brutes, il est nécessaire de procéder à une déformation appropriée du forgeage.

3.2 Forgeage libre de titane et d'alliages de titane (production de billettes)

Le forgeage libre est une méthode de forgeage dans laquelle le flux de métal n'est pas limité ou pas complètement limité dans la direction perpendiculaire à la force de déformation. Le principal avantage du forgeage libre est qu'il ne nécessite pas de matrice de forgeage, que les pièces sont rapidement mises en production et que leur taille et leur poids ne sont pas limités. L'inconvénient est qu'il n'est pas possible de forger des pièces ayant des formes complexes et des exigences de précision dimensionnelle élevées, que le taux d'utilisation des matériaux est faible et que l'efficacité de la production pourrait être plus élevée. Le forgeage libre convient à la production de pièces uniques et de petits lots de pièces forgées.

Fig.1 Microstructures typiques du titane et de ses alliages
Le forgeage libre du titane et de l'alliage de titane comprend principalement le forgeage de lingots, forgeage de barresforgeage des brames, forgeage d'anneauxet le forgeage d'ébauches. Production de produits en titane et en alliage de titane, d'anneaux, pièces forgéesetc. Elles sont ensuite travaillées à chaud (forgées, etc.) à partir de barres qualifiées. Par conséquent, la production de barres est la clé de la production de produits en titane et en alliage de titane.

3.2.1 Chauffage du forgeage du titane et des alliages de titane

Le titane et les alliages de titane présentent les caractéristiques de la transformation des allotropes. Lorsque le titane et les alliages de titane sont à l'état solide, la structure cristalline de leur arrangement atomique change en fonction de la température (transformation de la microstructure). À température ambiante, le α-Ti (phase α) du cristal hexagonal fermé est dominant, et le β-Ti (phase β) du cristal cubique centré sur le corps est dominant à haute température. Lorsque la température de chauffage dépasse une certaine température, l'α-Ti (phase α) du cristal hexagonal compacté du titane et de l'alliage de titane est complètement converti en β-Ti (phase β) du cristal cubique centré, ce qui est appelé la température de transition β (point de transition de phase). Il n'existe qu'un seul plan cristallin avec l'arrangement atomique le plus dense, le plan {0001}, pour le cristal hexagonal en couches serrées. Un plan de glissement peut avoir trois directions de glissement, de sorte que le nombre de systèmes de glissement est de 1 × 3 = 3. Étant donné que le titane et les alliages de titane sont principalement α-Ti (phase α) du cristal hexagonal en couches serrées à température ambiante, la plupart du titane et des alliages de titane ont de mauvaises performances en matière de traitement à froid. Le β-Ti (phase) est un cristal cubique centré. Il existe six plans cristallins {110} avec l'arrangement le plus dense d'atomes dans le cristal cubique centré sur le corps ; chacun a deux directions de glissement, de sorte que le nombre de systèmes de glissement est de 6 × 2 = 12. Dans le cristal cubique centré, il y a 48 plans de glissement principaux et secondaires. Par conséquent, la plasticité du titane et des alliages de titane devient meilleure, et la résistance à la déformation est considérablement réduite après chauffage à haute température, ce qui est bénéfique pour la déformation par forgeage.
Par conséquent, la quasi-totalité du titane et des alliages de titane sont forgés à chaud. Pendant le forgeage du titane et des alliages de titane, en raison de la structure de la coulée, de la faible plasticité, de la forme trop grande du lingot et de la grande surface de contrainte de déformation, il est généralement chauffé à 100-200 °C au-dessus de la température de transition β pour améliorer efficacement la plasticité du travail à chaud et réduire considérablement la résistance à la déformation par unité de surface. Dans le processus de forgeage suivant, la température de chauffage est progressivement inférieure à celle du forgeage de l'ébauche jusqu'à ce que la température de transition β soit inférieure. Cette méthode se caractérise par un rendement élevé, une structure uniforme et une exigence élevée en termes de tonnage de l'équipement. Cependant, certains fabricants de titane et d'alliages de titane adoptent le processus de chauffage et de déformation par forgeage directement dans la zone biphasée après l'ouverture de la billette. L'inconvénient de ce processus est que le taux de rendement est faible et que la structure est inégale, mais il convient à la production de petits équipements. Le processus spécifique des fabricants de produits en titane et en alliage de titane sera différent. La plupart des processus spécifiques sont basés sur l'expérience pratique et les données de test accumulées par les fabricants eux-mêmes. En raison de la faible plasticité de la structure widmanstatten ou de la structure en panier obtenue par déformation au-dessus de la température de transition β, la microstructure des barres d'alliage de titane de type proche α et de type α + β doit généralement être une structure équiaxe ou mixte avec une bonne plasticité dans la plupart des normes techniques des produits. Par conséquent, 2 à 3 feux, voire plus, dans la dernière phase du forgeage des barres en titane et en alliage de titane sont chauffés et forgés à une température inférieure de 20 à 60 °C au point de transition de phase.
La conductivité thermique du titane est faible, soit 1/15 de celle de l'aluminium et 1/5 de celle du fer. Par conséquent, il est nécessaire de préchauffer les billettes de titane et d'alliage de titane d'un diamètre (épaisseur) supérieur à 300 μs à basse température pour éviter la fissuration interne de la billette. Dans le même temps, le titane et les alliages de titane ne sont pas faciles à maintenir trop longtemps à des températures élevées pour éviter la détérioration de la structure. Par conséquent, lors du chauffage du titane et des alliages de titane, la température du four vide est généralement portée à une température prédéterminée, puis chauffée dans la billette chargée. Le temps de maintien en température du titane et de l'alliage de titane est généralement calculé en fonction de l'épaisseur de 0,5-0,8min/mm ; le temps de maintien le plus long ne dépasse généralement pas 1,2min/mm, et l'état chaud est réduit de moitié. La température de chauffage étant sensible à la transformation du titane et des alliages de titane, le forgeage du titane et des alliages de titane est généralement chauffé par un four à résistance avec une précision de contrôle de la température de (±10-15) °C. Toutefois, en raison de la structure grossière de la coulée formée par la solidification directe du métal liquide, la précision du contrôle de la température du four de chauffage n'est pas élevée. Par conséquent, le forgeage des billettes peut être chauffé par un four à réverbère à combustible solide, un four à huile, un four à gaz naturel, etc., mais l'atmosphère doit être oxydante. 

3.2.2 Déformation de forgeage par feu de titane et d'alliage de titane 

Le déformation par forgeage du titane et de l'alliage de titane est généralement supérieure à 60%-75%, la déformation de forgeage du feu intermédiaire est généralement contrôlée à 40%-75%, et la déformation de forgeage du produit fini est contrôlée à plus de 20%. 
Lorsque le titane et les alliages de titane sont forgés par un marteau de forgeage libre avec une vitesse de forgeage rapide, l'effet thermique dans le processus de forgeage doit être pris en compte. En raison de la mauvaise conductivité thermique du titane et des alliages de titane, et de la température très sensible à sa microstructure, la chaleur de déformation du noyau de la barre pendant le processus de forgeage sur le marteau rend facile la température locale de l'alliage proche ou supérieure à la température de transition β, ce qui entraîne la surchauffe de la structure du noyau. Par conséquent, la billette ne peut pas être continuellement frappée durement lorsque le processus de forgeage au marteau est utilisé pour les produits en titane et en alliage de titane avec des exigences d'organisation et de performance.

3.2.3 Méthode de refroidissement après forgeage du titane et des alliages de titane 

Dans le processus traditionnel, la méthode de refroidissement du titane et de l'alliage de titane après le forgeage est le refroidissement à l'air. Après chauffage et déformation par forgeage au point de transition de phase, la microstructure de l'alliage de titane de type α et de l'alliage de titane de type α + β est constituée d'une petite quantité de phase α primaire équiaxe et d'une grande quantité de phase β à haute température. Lorsque le forgeage est refroidi à l'air après le forgeage, avec la diminution de la température de forgeage, la plupart de la phase β stable dans la microstructure à haute température se transforme progressivement en phase α stable à température ambiante. En d'autres termes, pendant le processus de refroidissement à l'air après le forgeage, une petite quantité de phase α primaire équiaxe dans la microstructure croît ou s'agrège progressivement avec la diminution de la température. Une grande quantité de phase β à haute température se transforme progressivement en phase α en bande et en phase β résiduelle avec la diminution de la température. La phase α en bande croît progressivement, s'épaissit, voire s'agrège. Ce phénomène n'est pas favorable à l'amélioration de la microstructure et des propriétés. De plus, la vitesse de refroidissement entre la surface et le cœur du billette est très différente, et la cohérence de la microstructure et des propriétés sur la surface du billette n'est pas assurée. croiser-La section est médiocre. De même, pour le titane et l'alliage de titane monophasé, le refroidissement à l'air fera croître le grain monophasé, et la cohérence de la taille des grains internes et externes sera moins bonne.
Compte tenu des lacunes susmentionnées, certains fabricants de titane et d'alliages de titane ont adopté ces dernières années le processus de refroidissement à l'eau après le forgeage des billettes de titane et d'alliages de titane et la production de billettes intermédiaires. Après le forgeage, l'alliage de titane proche de l'α et l'alliage de titane α + β sont refroidis par l'eau, qui a une vitesse de refroidissement rapide et une sous-refroidissement important. D'une part, une petite quantité d'α équiaxe primaire dans la structure à haute température n'a pas assez de temps pour croître ; d'autre part, le refroidissement rapide fait qu'un grand nombre de phases β à haute température sont trop tardives pour se transformer progressivement en phases α stables en bandes, et il n'y a pas assez de temps pour que les nouvelles phases α en bandes croissent et deviennent plus grossières. Par conséquent, la phase α équiaxe primaire et la phase α de la bande dans la microstructure produite par le processus de refroidissement à l'eau après le forgeage sont plus petites que celles produites par le processus de refroidissement à l'air après le forgeage. L'expérience montre que le refroidissement à l'eau après le forgeage peut non seulement affiner la structure à plis élevés du titane et de l'alliage de titane, mais aussi affiner sa structure à plis bas. Les défauts cristallins (dislocations, sous-grains) et la microstructure déformée avec une densité de dislocations accrue ont été complètement ou partiellement fixés à la température ambiante par le refroidissement à l'eau après le forgeage, ce qui a augmenté le grand nombre de noyaux cristallins pour la recristallisation pendant le traitement thermique ultérieur. Au cours du traitement thermique suivant, le mécanisme de précipitation de la phase β est passé du mécanisme de nucléation induite sous refroidissement à l'air au mode de nucléation indépendant, et les bandes fines, chaotiques et entrelacées α primaires et α secondaires ont été obtenues, ce qui a permis d'améliorer considérablement la résistance. De même, pour le titane et l'alliage de titane monophasés, le refroidissement à l'eau inhibe la croissance des grains monophasés, et la cohérence des tailles de grains internes et externes est bonne. 

3.2.4 Contrôle de la phase dans les alliages de titane de type proche α et de type α + β

Les produits de forgeage libre de l'alliage de titane de type proche α et de l'alliage de titane de type α + β exigent généralement que leurs microstructures soient équiaxes ou mixtes, et la teneur de la phase α primaire en eux est requise. Par exemple, la norme GJB493-88 stipule que la teneur en phase α primaire de la barre destinée à la pale du rotor ne doit pas être inférieure à 30%, que la teneur en phase α primaire de la barre destinée à la pale du stator ne doit pas être inférieure à 25% et que la taille de la longue bande α est requise. La bande longue α de la barre pour la pale du rotor est inférieure à 0,06 mm, et la bande longue α de la barre pour la pale du stator est inférieure à 0,08 mm. Par exemple, le document " HB5432-89 aircraft TC4 titanium alloy forgings " stipule que la teneur en α primaire dans la structure à fort grossissement des pièces forgées libres ne doit pas être inférieure à 15%, que la teneur en α primaire dans la structure à fort grossissement des pièces matricées doit être comprise entre 15% et 55%, et que la longue bande α ne doit pas dépasser 0,2 mm. Par exemple, le GJB1538 stipule que la longue bande α dans le tissu à fort grossissement d'un diamètre supérieur à 150 n'excède pas 0,25 mm. Si l'on prend l'exemple de la production d'une barre d'alliage de titane TC4 à deux phases α + β, la clé pour obtenir une barre conforme aux exigences de la GJB493-88 est le contrôle de la température de chauffage du forgeage et de la déformation : plus la température de chauffage du produit fini est proche de la température de transition β, moins il y a d'α primaires dans la microstructure de l'alliage, plus la plasticité est mauvaise et plus la résistance est élevée ; plus il y a de temps de forgeage et plus la déformation de l'alliage en dessous de la température de transition β est importante, plus les α primaires dans la microstructure de l'alliage sont fins, uniformes et proches de la forme sphérique.
La plupart des barres, anneaux, galettes et autres produits en alliage de titane doivent être contrôlés par ultrasons. L'α des structures Widmanstatten et basketweave est grossièrement en forme de latte, et sa limite de grain est plus évidente. Lors du contrôle par ultrasons, l'atténuation de l'alliage et le niveau de réflexion de l'onde de fond dépassent facilement les exigences de l'onde de défaut de la norme, et il est plus difficile de détecter les défauts métallurgiques dans l'alliage. Par conséquent, la plupart des normes techniques n'autorisent pas la livraison de produits en alliage de titane dans ces deux états structurels. Pour les structures équiaxes et mixtes, la grande déformation pendant le processus de forgeage rend la limite de grain α complètement cassée et sphéroïdisée, l'α primaire dans le cristal est également complètement sphéroïdisé, et la latte secondaire α devient très courte. Le joint de grain de l'alliage n'existe presque plus (le cristal flou est présenté dans l'inspection à faible grossissement). Par conséquent, l'atténuation est très faible pendant le processus de détection des défauts par ultrasons. Il est facile de détecter les petits défauts métallurgiques exigés par la norme. La structure équiaxe ou mixte est la plus souhaitable dans la production de matériaux en titane. 

3.3 Forgeage sous pression (près de l'alliage de titane de type α et de type α + β) 

Le matriçage est la méthode qui consiste à forger l'ébauche métallique dans la rainure du modèle de matriçage. Les avantages du matriçage sont qu'il permet de forger des pièces de forme complexe avec une grande précision dimensionnelle, une utilisation élevée des matériaux, une grande efficacité de production, d'excellentes propriétés mécaniques et une bonne stabilité de la qualité, ce qui convient à la production de masse. L'inconvénient est que la nécessité d'utiliser des cycles de fabrication de moules professionnels est longue et que l'investissement en équipement et en moules est élevé.
Les matrices de forgeage traitent principalement les pièces utilisées dans l'industrie aéronautique, de sorte que le forgeage sous pression de l'alliage de titane est largement utilisé dans l'industrie aéronautique. Le forgeage conventionnel α + β, le forgeage proche de β, le forgeage sub-β et le forgeage plein β de l'alliage de titane, souvent mentionnés dans divers types de littérature, font généralement référence au processus de forgeage sous pression de l'alliage de titane (type proche de α, type α + β). Les billettes utilisées dans le forgeage sous pression des produits finis en alliage de titane sont généralement des billettes qualifiées avec une microstructure équiaxe ou mixte produite par forgeage libre. 

3.3.1 Forgeage conventionnel α + β

Le procédé de forgeage conventionnel α + β de l'alliage de titane HB/Z 199-91 est défini comme le forgeage après chauffage dans la région de la phase α + β en dessous de la température de transition de phase β de 25-50 °C ou moins. Le forgeage conventionnel permet généralement d'obtenir une structure équiaxe ou mixte présentant une bonne plasticité à température ambiante et une bonne stabilité thermique, mais des performances médiocres à haute température, une ténacité à la rupture et une résistance à la propagation des fissures. À l'heure actuelle, les pièces forgées en alliage de titane de type α et de type α + β sont principalement produites par ce procédé. Plus de 80% de pièces forgées en alliage de titane dans les moteurs aéronautiques chinois sont produites par ce procédé de forgeage conventionnel α + β.

3.3.2 Forgeage proche de β

La définition du processus de forgeage proche du β de l'alliage de titane dans la marque de navigation HB/Z 199-91 est le forgeage après chauffage à 10-15 °C en dessous du point de transition de phase β. Les pièces forgées en alliage de titane produites par forgeage conventionnel α + β présentent une plasticité et une stabilité thermique élevées à température ambiante, mais des performances médiocres à haute température, en fatigue et en résistance à la rupture. Par conséquent, dans les années 1980, les processus de forgeage conventionnel α + β, de forgeage proche de β et de forgeage β du disque de compresseur en alliage de titane TC11 d'un moteur aéronautique ont été étudiés dans l'usine aérospatiale 148. La microstructure obtenue par le test de forgeage proche β est environ 20% phase α primaire équiaxe distribuée sur la matrice de la structure de panier court, fin et désordonné, qui est une structure mixte. La plasticité et la stabilité thermique de cette structure ne sont pas inférieures à celles du forgeage conventionnel, mais ses performances à haute température, sa résistance à la fatigue et sa ténacité à la rupture sont considérablement améliorées par rapport au forgeage conventionnel, et elle possède d'excellentes propriétés mécaniques globales. En outre, la température de chauffage de ce processus de forgeage est plus élevée que celle du forgeage conventionnel, et la résistance à la déformation de l'alliage est faible, ce qui améliore les performances du traitement thermique. En même temps, la température de chauffage ne dépasse pas le point de transition β, ce qui permet d'éviter les inconvénients du forgeage β. Sur la base d'un test réussi, des matrices de disque de compresseur TC11 de moteur aéronautique WP13 ont été produites par 148 usines utilisant un processus de forgeage proche du β et installées dans la machine pour l'évaluation de l'installation, et l'utilisation est bonne. Plus tard, Zhou et al. ont mené des recherches approfondies sur le processus de forgeage proche du β et ont introduit la technologie de traitement de renforcement et de durcissement. La structure obtenue par le processus de forgeage near-β a été appelée structure à trois états (environ 10%-20% équiaxe α, 50%-60% en forme de panier α, et une marge de transformation β matricielle). L'étude du processus de forgeage proche β de l'alliage de titane TC11 montre que cette structure peut améliorer les performances à haute température, la ténacité à la rupture et les performances de fatigue à faible cycle du matériau sans réduire la plasticité et la stabilité thermique et peut améliorer la température de service du matériau de 20 à 50 °C.

3.3.3 Forgeage sub-β

La définition du procédé de forgeage sous-β pour le titane et l'alliage de titane dans HB/Z 199-91 est la suivante : le forgeage est effectué après un chauffage à 10-40 °C au-dessus du point de transition de phase β, et la déformation est entièrement ou principalement achevée dans la région biphasée α + β au-dessous du point de transition de phase β. Grâce à l'écrasement préférentiel de la limite α, la bande α dans la région limite est équiaxe et la structure en tresse de panier est obtenue. La caractéristique fondamentale de la structure tressée est que la limite de grain α est brisée, et que l'intragranulaire α est tressé, mais cette structure est difficile à obtenir. Ce procédé de forgeage produit généralement des pièces forgées dont les exigences en matière de résistance à la rupture sont élevées. 
Les disques en alliage de titane TC17 pour les moteurs d'avion ont été produits par un processus de forgeage sub-β à chaud/isothermique dans l'usine de forgeage de l'industrie aéronautique chinoise et la branche d'acier spécial de Baosteel (anciennement l'usine d'acier n° 5 de Shanghai) et sont entrés dans les applications d'ingénierie. Comme le concept de conception des avions change progressivement, passant de la pure résistance statique à la sécurité-vie, à la sécurité contre les dommages et même au concept moderne de tolérance aux dommages, les matériaux d'alliage de titane avancés se développent progressivement vers des alliages de titane tolérants aux dommages avec une grande ténacité à la rupture et un faible taux de croissance des fissures. Le développement et l'application d'alliages de titane tolérants aux dommages aux États-Unis sont à l'avant-garde. Par exemple, le titane utilisé dans le chasseur de quatrième génération F-22 aux États-Unis comprend principalement un alliage de titane tolérant aux dommages de résistance moyenne Ti-6Al-4VELI et un alliage de titane tolérant aux dommages de résistance élevée Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-S. Les pièces forgées finies de ces deux alliages de titane sont produites par la technologie de traitement à chaud β. Depuis le "Onzième plan quinquennal", sur la base de la situation nationale, la Chine a développé de manière indépendante l'alliage de titane TC4-DT à résistance moyenne tolérant aux dommages et l'alliage de titane TC21 à résistance élevée tolérant aux dommages, ainsi que leur technologie de traitement thermique β, et les a appliqués aux pièces structurelles des roulements clés des avions de combat avancés.

3.3.4 Forgeage β complet

La définition du processus de forgeage β complet pour l'alliage de titane dans HB/Z 199-91 est que le forgeage est effectué après un chauffage à 50 °C ou à une température supérieure au point de transition de la phase β, et que la déformation est entièrement ou principalement achevée dans la zone de la phase β. L'affinement des grains est réalisé par la recristallisation dynamique de la phase β, et la structure lamellaire est obtenue. La microstructure des produits obtenus par ce procédé est principalement une structure widmanstatten, et la plasticité et la stabilité thermique sont trop faibles, de sorte que ce procédé n'est pratiquement pas utilisé pour la production de pièces forgées finies. 

3.3.5 Éléments clés de la production d'alliages de titane par forgeage sous pression

Comme pour le processus de forgeage libre, les principaux facteurs de contrôle du processus de forgeage sous pression de l'alliage de titane sont la température de chauffage, la déformation par le feu, la température finale de forgeage et la méthode de refroidissement après le forgeage. Parmi ces facteurs, le plus critique est la température de chauffage. "La norme HB 5355-94 relative au contrôle de la qualité du processus de forgeage stipule que les fours de chauffage pour le forgeage du titane et de l'alliage de titane doivent être de type II-IV. Pour le forgeage proche duβ et le forgeage sub-β, il convient de choisir des fours de chauffage à résistance II avec une bonne précision de contrôle de la température et une bonne uniformité de la température. L'influence de la déformation par le feu, de la température finale de forgeage et du mode de refroidissement après le forgeage sur la microstructure et les propriétés des pièces forgées sous pression est cohérente avec celle du forgeage libre mentionné ci-dessus, qui peut être ajustée de manière flexible en fonction du processus spécifique.

4. Traitement thermique du titane et de ses alliages

4.1 Traitement thermique du titane et de l'alliage de titane de type α

Ce type de titane et d'alliages de titane est généralement traité par recuit ordinaire. Lorsqu'il est nécessaire de maintenir l'effet de renforcement de la déformation à froid, le recuit de détente est utilisé. Le recuit de recristallisation peut être utilisé lorsque la plasticité doit être restaurée. 

4.2 Traitement thermique des alliages de titane proches de α et α + β 

Le traitement thermique de ce type d'alliage de titane comprend principalement le recuit ordinaire, le double recuit, la trempe + le vieillissement, etc. 
Le double recuit vise à améliorer la résistance à la rupture de l'alliage, à stabiliser la structure et à obtenir une bonne adéquation entre la résistance et la plasticité. Il convient généralement aux alliages de titane travaillant à haute température. Le but du recuit secondaire est de décomposer complètement la phase β métastable obtenue par le recuit primaire, de produire un certain degré d'effet de renforcement dû au vieillissement et d'obtenir une structure présentant une résistance similaire à celle du recuit ordinaire, une grande ténacité à la rupture et une structure stable à haute température.
Les principales caractéristiques de la trempe et du vieillissement sont les suivantes : La transformation martensitique se produit pendant la trempe, c'est-à-dire la transformation isomérique. La plasticité et la ténacité de l'alliage augmentent légèrement, tandis que la résistance et la dureté diminuent légèrement. Au cours du processus de vieillissement suivant, en raison de la décomposition de la phase métastable et de la production de la phase intermédiaire, la dureté et la résistance de l'alliage augmentent, tandis que la plasticité et la ténacité diminuent. Supposons que la teneur en élément stable β dans l'alliage de titane ne soit pas élevée. Dans ce cas, la trempe est que la phase β sera transformée du réseau cubique centré en réseau hexagonal par le cisaillement, et cette solution solide sursaturée avec un réseau hexagonal est appelée martensite hexagonale α'. Si la teneur en élément stable β dans l'alliage de titane est élevée, la résistance au cisaillement du réseau est importante. Pendant la trempe, la phase métastable formée par la phase β du réseau cubique centré sur le corps à la martensite orthorhombique α' se décomposera pendant le vieillissement, et α' → α + β, α' → α + β obtiendra des phases α et β dispersées, ce qui entraînera un effet de renforcement de la dispersion. Il s'agit du principe de base du renforcement par traitement thermique (renforcement par trempe et vieillissement) pour la plupart des alliages de titane biphasés. 

4.3 Traitement thermique de l'alliage de titane β 

L'alliage de titane de type β est généralement utilisé dans l'état de solution solide + traitement thermique de vieillissement. Cet alliage est d'abord dissous près du point de transition de phase, puis soumis à un vieillissement artificiel à long terme à une température plus basse. Après le traitement de vieillissement, une grande quantité de phase α sera dispersée dans le joint de grain β et l'intérieur du grain de la microstructure de l'alliage, ce qui joue un rôle dans le renforcement de la dispersion et, en fin de compte, améliore la résistance de l'alliage et réduit la plasticité de l'alliage. 
Auteur : Zhang Lijun