Traitement thermique du titane et des alliages de titane (1)

Le traitement thermique est un processus par lequel un chauffage et un refroidissement contrôlés des métaux sont effectués dans des conditions environnementales très précises afin de modifier les caractéristiques physiques ou mécaniques du métal sans modifier la forme du produit. Si le traitement thermique n'est pas effectué correctement, le métal risque de ne pas atteindre les propriétés souhaitées pour répondre aux spécifications de conception des ingénieurs.
Le traitement thermique est généralement associé à l'augmentation de la résistance du matériau, mais il est également fréquemment utilisé pour améliorer l'usinabilité, améliorer la formabilité, augmenter la ductilité ou augmenter la résistance à la corrosion. Il s’agit donc d’un processus critique qui garantit que les caractéristiques spécifiées du métal sont atteintes.

Les avantages du traitement thermique des alliages de titane :

Réduire les contraintes résiduelles développées lors de la fabrication (soulagement des contraintes)
Produire une combinaison optimale de ductilité, d’usinabilité et de stabilité dimensionnelle et structurelle (recuit)
Augmenter la résistance (solution traitante et vieillissante)

Optimiser les propriétés spéciales telles que la ténacité à la rupture, la résistance à la fatigue et la résistance au fluage à haute température

Soulagement du stress du titane

Le titane et les alliages de titane peuvent être relâchés sans affecter négativement la résistance ou la ductilité.

Les traitements de réduction des contraintes diminuent les contraintes résiduelles indésirables résultant, premièrement, d'un forgeage à chaud non uniforme ou d'une déformation due au formage à froid et au redressage, deuxièmement, de l'usinage asymétrique de plaques ou de pièces forgées et, troisièmement, du soudage et du refroidissement des pièces moulées. La suppression de ces contraintes aide à maintenir la stabilité de la forme et élimine les conditions défavorables, telles que la perte de limite d'élasticité en compression, communément appelée effet Bauschinger.

La relaxation des contraintes est probablement le traitement thermique le plus couramment appliqué au titane et à ses alliages. Il est utilisé pour diminuer les contraintes résiduelles indésirables résultant d'une déformation non uniforme par forgeage à chaud, d'un formage et d'un redressage à froid non uniformes, d'un usinage asymétrique de tôles (pièces moulées) ou de pièces forgées, du soudage de pièces forgées, moulées ou métallurgiques des poudres (P/M), et refroidissement des pièces moulées.

La réduction des contraintes aide à maintenir la stabilité de la forme et peut également éliminer les conditions défavorables telles que la perte de limite d'élasticité en compression - l'effet Bauschinger - qui peut être particulièrement grave dans les alliages de titane. La réduction des contraintes peut être réalisée sans affecter négativement la résistance ou la ductilité.

Recuit

Le recuit du titane et des alliages de titane sert principalement à augmenter la ténacité à la rupture, la ductilité à température ambiante, la stabilité dimensionnelle et thermique et la résistance au fluage. De nombreux alliages de titane sont mis en service à l’état recuit. Etant donné que l'amélioration d'une ou plusieurs propriétés est généralement obtenue aux dépens d'une autre propriété, le cycle de recuit doit être choisi en fonction de l'objectif du traitement.
Les traitements de recuit courants sont :

Le recuit en usine est un traitement général appliqué à tous les produits du moulin. Il ne s'agit pas d'un recuit complet et peut laisser des traces de travail à froid ou à chaud dans les microstructures des produits fortement travaillés, notamment les tôles.

Le recuit duplex modifie les formes, les tailles et les répartitions des phases par rapport à celles requises pour améliorer la résistance au fluage ou la ténacité à la rupture. Dans le recuit duplex de l'alliage Corona 5, par exemple, le premier recuit est à proximité du transus pour globulariser le déformé et minimiser sa fraction volumique. Ceci est suivi d'un deuxième recuit à basse température pour précipiter de nouvelles particules lenticulaires (aciculaires) entre les particules globulaires. Cette formation d'aciculaires est associée à des améliorations de la résistance au fluage et de la ténacité à la rupture.

Le recuit de recristallisation et le recuit sont utilisés pour améliorer la ténacité à la rupture. Lors du recuit de recristallisation, l'alliage est chauffé jusqu'à l'extrémité supérieure de la plage -, maintenu pendant un certain temps, puis refroidi très lentement. Ces dernières années, le recuit de recristallisation a remplacé le recuit pour les composants de cellule critiques en cas de rupture.

(Bêta) Recuit. Comme le recuit de recristallisation, le recuit améliore la ténacité. Le recuit bêta est effectué à des températures supérieures au transus de l'alliage en cours de recuit. Pour éviter une croissance excessive des grains, la température de recuit ne doit être que légèrement supérieure à celle du transus. Les temps de recuit dépendent de l’épaisseur de la section et doivent être suffisants pour une transformation complète. Le temps passé en température après la transformation doit être maintenu au minimum pour contrôler la croissance des grains. Les sections plus grandes doivent être refroidies par ventilateur ou trempées à l'eau pour éviter la formation d'une phase aux joints de grains.

Solution traitante et vieillissante

Une large gamme de niveaux de résistance peut être obtenue dans - ou dans les alliages par traitement en solution et vieillissement. À l'exception de l'alliage unique Ti-2.5Cu, l'origine des réponses au traitement thermique des alliages de titane réside dans l'instabilité de la phase à haute température à des températures plus basses.
Chauffer un alliage à la température de traitement en solution produit un rapport de phase plus élevé. Ce cloisonnement des phases est entretenu par trempe ; lors du vieillissement ultérieur, la phase instable se décompose, ce qui confère une résistance élevée. Les alliages commerciaux sont généralement fournis à l'état traité en solution et doivent seulement être vieillis. Le traitement en solution des alliages de titane implique généralement un chauffage à des températures légèrement supérieures ou légèrement inférieures à la température transus.
Les alliages (bêta) sont normalement obtenus auprès des producteurs dans des conditions traitées en solution. Si un réchauffage est nécessaire, les temps de trempage doivent être aussi longs que nécessaire pour obtenir une solution complète. Les températures de mise en solution des alliages sont supérieures au transus ; comme aucune seconde phase n’est présente, la croissance des grains peut se dérouler rapidement.
- Alliages (Alpha-bêta). La sélection d'une température de mise en solution pour les alliages est basée sur la combinaison de propriétés mécaniques souhaitées après vieillissement. Un changement dans la température de mise en solution des alliages modifie les quantités de phase et modifie par conséquent la réponse au vieillissement.
Pour obtenir une résistance élevée avec une ductilité adéquate, il est nécessaire de traiter en solution à une température élevée dans le champ, normalement de 25 à 85 degrés (50 à 150 degrés F) en dessous du transus de l'alliage. Si une ténacité élevée ou une résistance améliorée à la corrosion sous contrainte est requise, un recuit ou un traitement en solution peuvent être souhaitables. Cependant, le traitement thermique des alliages de la gamme entraîne une perte importante de ductilité. Ces alliages sont généralement traités thermiquement en solution sous le transus pour obtenir un équilibre optimal entre les propriétés de ductilité, de ténacité, de fluage et de rupture sous contrainte.

Trempe

Si les alliages sont rapidement refroidis par trempe à l'eau de la région entièrement bêta, la tendance de la phase alpha à se former est supprimée et la phase bêta est conservée. Certaines compositions d'alliages présentent cependant une transformation particulière lors de la trempe. Ce mécanisme de transformation martensitique ou de type cisaillement n'est pas complètement compris. La formation de cette structure, appelée alpha prime, provoque une certaine distorsion du réseau. Cette distorsion et la déformation qui en résulte produisent un matériau dur et résistant, qui possède de meilleures propriétés de fatigue que l'alpha. Ce processus de trempe est également le point initial du revenu.

Trempe

Lorsque le titane est trempé à une température élevée, réchauffé à une température inférieure au transus bêta, maintenu pendant un certain temps et à nouveau trempé, on dit qu'il a été revenu. Trois variables existent dans le revenu : les phases présentes, le temps de maintien et la température de revenu.

Lorsque la structure initiale contient alpha prime, deux changements se produisent : l'alpha prime se transforme en alpha et, à des moments plus longs, l'alpha devient dentelé. Le résultat est une perte de dureté et de résistance et une augmentation de la ductilité et de l'impact. Les structures alpha-bêta ne suivent cependant pas ce modèle. L'alpha reste globalement inchangé ; la bêta se décompose pour former davantage d'alpha aux dépens de la phase bêta. À basse température, davantage d'alpha se formera ; ainsi, les basses températures de revenu entraînent une diminution plus importante de la résistance et de la dureté et une plus grande augmentation de la ductilité que le revenu à haute température sur des intervalles de temps identiques.

Transformation isotherme

Lors de la trempe à chaud d'un alliage de la région entièrement bêta à des températures dans le champ alpha-bêta et en le maintenant pendant un certain temps, puis en le trempant davantage à température ambiante, le matériau est transformé de manière isotherme. Un tel traitement provoque la précipitation de la phase alpha à partir de la phase bêta. À des températures élevées, l'alpha précipite d'abord aux joints des grains, puis dans les grains bêta eux-mêmes.
Ce traitement, lorsqu'il est maintenu à des températures juste en dessous de la température de transformation, donne d'abord un matériau très dur en raison de la formation de bêta prime. Si le temps de maintien est prolongé, la dureté et la résistance diminuent avec une augmentation correspondante de la ductilité et de la ténacité. À des températures plus basses, une augmentation progressive de la dureté et de la fragilité a lieu, et pendant des périodes prolongées, une dureté plus élevée peut être obtenue que par des traitements à haute température de courte durée.

(À suivre)