Pièces forgées en titane Gr12 selon ASTM B381 : ségrégation bêta et contrôle du refroidissement

Grade 12 comme alliage de forge

Le grade 12 (UNS R53400, Ti-0,3Mo-0,8Ni) est un alliage quasi-alpha soudable qui comble une lacune spécifique dans la pratique du forgeage du titane. Il offre une résistance utile jusqu'à environ 300 °C, une forte résistance aux chlorures et aux milieux légèrement réducteurs, et un coût bien inférieur aux qualités modifiées au palladium. Les pièces forgées de cette qualité sont produites selon la norme ASTM B381, où l'alliage apparaît comme la qualité F-12, avec une chimie et des propriétés alignées sur les limites de corroyage des normes ASTM B348 et ASTM B338.

Le titane non allié fond à environ 1 668 °C et les ajouts d'alliages de grade 12 ne diminuent que légèrement la plage de fusion, de sorte qu'un chiffre d'environ 1 600 °C est une approximation plutôt qu'un point de fusion. Le transus bêta, auquel la phase alpha hexagonale se transforme en bêta cubique centrée, se situe près de 875 C, un peu en dessous des 882 C du titane non allié car le molybdène et le nickel sont tous deux des stabilisants bêta. Chaque décision de forgeage, de la sélection des billettes à la température de finition et à la vitesse de refroidissement, est jugée par rapport à ce transus.

Défauts provenant de la fusion : ségrégation bêta et tache bêta

La plupart des rebuts de forgeage du titane sont hérités du lingot plutôt que créés à la presse, et deux défauts liés dominent.

Ségrégation bêtaest une région enrichie ou appauvrie en éléments bêta-stabilisants par rapport à la composition nominale. Le molybdène et le nickel se séparent pendant la solidification, et plusieurs passes de refusion à l'arc sous vide sont utilisées pour briser et homogénéiser ces canaux.

Tache bêtaest une zone localisée riche en bêta qui survit au forgeage sous la forme d'une petite région allongée avec une structure et une dureté différentes. Il est difficile à détecter par la chimie seule et est généralement détecté par inspection ultrasonique ou par coupe destructive après gravure.

Tous deux réduisent la durée de vie en fatigue et la ductilité, et tous deux sont contrôlés au niveau de l'atelier de fusion par la qualité des matières premières, la construction des électrodes, la vitesse de fusion et le nombre de passes de fusion. Un atelier de forge peut les détecter et les séparer ; il ne peut pas les supprimer. Le stock de pièces forgées doit donc être acheté avec une inspection par ultrasons jusqu'à un niveau d'acceptation convenu, et la traçabilité de la chaleur et des lingots jusqu'à chaque pièce forgée est un véritable outil de contrôle qualité plutôt qu'une paperasse.

Forgeage des fenêtres de température et du Transus

Le choix entre le forgeage alpha-bêta et le forgeage bêta définit le caractère de la pièce finie.

Deux autres règles de température sont importantes. La surchauffe à n'importe quel stade au-dessus du transus crée une croissance permanente des grains qu'aucun travail alpha-bêta ou traitement thermique ultérieur ne peut inverser, le contrôle du four et l'étalonnage du thermocouple sont donc essentiels. En dessous d'environ 700 °C, l'alliage devient beaucoup moins forgeable et des fissures superficielles ou un cisaillement interne peuvent résulter d'un seul coup de presse à froid.

Déformation, taux de refroidissement et structure finale

La déformation convertit la structure coulée en structure forgée et ferme la porosité, mais seulement lorsque la contrainte est appliquée suffisamment chaude et répartie suffisamment profondément. La déformation de surface avec un centre froid laisse les défauts internes intacts, de sorte que les contrôles pratiques incluent une réduction suffisante par passe, une géométrie d'enclume appropriée et, dans le travail à matrice ouverte, une rotation répétée de la pièce pour répartir la contrainte à travers la section.

La vitesse de refroidissement après la dernière étape de forgeage contrôle la morphologie alpha et donc l’équilibre entre résistance et ductilité.

Le refroidissement par air produit un alpha aciculaire plus fin avec une résistance plus élevée et une certaine perte de ductilité.

Le refroidissement au four ou un autre refroidissement lent contrôlé produit un alpha plus grossier avec une résistance inférieure et une ductilité améliorée.

L'épaisseur de la section est importante, car une pièce forgée lourde refroidit lentement en son cœur et rapidement en sa surface. Une pièce peut donc contenir plus d’une microstructure et doit être caractérisée en plusieurs endroits.

Atmosphère de chauffage, hydrogène et traitement post-forge

Le titane réagit avec l'air au-dessus d'environ 400 °C, formant un boîtier alpha enrichi en oxygène et, en présence d'humidité ou d'hydrocarbures, absorbant l'hydrogène. Aux températures de forgeage, la réaction est rapide.

Chauffer dans un four avec une atmosphère contrôlée, ou au minimum avec une flamme légèrement réductrice, sans humidité et sans soufre, et vérifier l'atmosphère avec des contrôles périodiques des coupons.

Retirer le boîtier alpha par usinage ou par décapage dans un bain nitrique-fluorhydrique selon la norme ASTM B600 avant la finition dimensionnelle finale.

Maintenez l'hydrogène en dessous du maximum de 0,015 % autorisé pour le grade 12, car l'excès d'hydrogène forme des hydrures cassants et réduit la résistance aux chocs.

L'inspection par ultrasons selon une procédure convenue telle que ASTM E2375 est normalement spécifiée pour les pièces forgées critiques, ainsi que les contrôles dimensionnels et la vérification métallographique de la structure requise.

La pièce forgée finie doit arriver avec un itinéraire documenté indiquant les températures de forgeage, les pratiques de refroidissement, le traitement thermique et les résultats de l'inspection, car une géométrie identique peut être produite avec des propriétés très différentes en fonction de ces choix.

FAQ

Q : Qu'est-ce que la tache bêta et pourquoi est-ce important ?
Il s'agit d'une région localisée riche en bêta, issue de la ségrégation dans le lingot. Il diffère par sa structure et sa dureté du métal environnant, agit comme un site d'initiation à la fatigue et ne peut être contrôlé qu'au stade de la fusion.

Q : Une structure forgée grossière peut-elle être corrigée par traitement thermique ?
Pas là où la croissance des grains est impliquée. Les grains bêta grossiers produits par surchauffe ne peuvent pas être raffinés par un traitement thermique ultérieur ; seul un travail à chaud supplémentaire sous le transus les affine.

Q : Quelle norme couvre les pièces forgées de grade 12 ?
ASTM B381 et ASME SB381, dans lesquels l'alliage apparaît comme Grade F-12, soutenu par des spécifications de matériaux telles que ASTM B348 et les pratiques de détartrage ASTM B600.

Q : Faut-il utiliser l'alpha-bêta ou le forgeage bêta ?
Pour les composants généraux de structure, de vannes et de pompes où la ductilité et la résistance à la fatigue sont importantes, le forgeage alpha-bêta en dessous du transus est préférable. Le forgeage bêta est utilisé là où une résistance à des températures plus élevées est nécessaire et est accepté avec une ductilité réduite.

Q : Comment l’hydrogène entre-t-il dans une pièce forgée ?
Des atmosphères humides de four, du carburant contaminé, des lubrifiants et des bains de décapage. Il doit être contrôlé car les hydrures fragilisent l'alliage, donc l'hydrogène est contrôlé sur la pièce finie plutôt que uniquement sur la billette entrante.