Etude des procédés de forge incrémentale et multiaxiale des alliage de titane TA6V – STAMP

Le projet STAMP est issu d’un besoin de l’industrie : contrôler la microstructure pour qu’elle soit la plus homogène possible et plus particulièrement ici, la cinétique de globularisation. La globularisation est le processus qui transforme une microstructure lamellaire en microstructure équiaxe par le biais de traitements thermomécaniques. Le moteur principal de ce processus est la déformation hétérogène des lamelles au cours de la déformation à chaud du matériau [Weiss, 1986]. [Zherebstov, 2011] et [Fan, 2018] ont montré que le processus de globularisation se poursuit au cours du traitement thermique statique par l’action de mécanismes de recristallisation / restauration.
La difficulté à reproduire le procédé industriel en laboratoire pour étudier la cinétique de globularisation et le développement des macrozones réside dans son caractère multiaxial et incrémental. Le module MaxStrain du système de simulation physique Gleeble offre l’opportunité de se rapprocher du procédé industriel en permettant la réalisation d’essais automatisés et instrumentés bi-axiaux et incrémentaux. Il permet ainsi une étude des évolutions microstructurales au cours de traitements thermomécaniques se rapprochant du procédé industriel.

La première partie du projet a permis le déploiement du programme défini :
- la définition de la problématique industriel et des attentes académique du projet à savoir l'étude en conditions de laboratoire des traitements thermomécaniques et globularisation des alliages de TA6V
- la mise en place des essais thermomechanique sur la machine Schenck de Mines Saint-Etienne et sur le module Max Strain de la machine Gleeble de l'INSA de Lyon. Les conditions thermomécaniques sont maitrisées et les écarts au chemin visés sont caractérisés précisément; Des échantillons sont maintenant disponibles pour analyses des effets de globularisation
- le développement de modèles macroscopiques de l'essais Gleeble et microscopique de la déformation du TA6V pour accompagner l'étude des phénomènes de globularisation.
- enfin la caractérisation fine des microstructures initiales brutes de déformation et post recuit le cas échéant en s'intéressant tout particulièrement aux textures y compris les macrozones.

Les perspectives du projet sont conformes au plan initialement fixé :
- mettre en œuvre les analyses microstructurales des échantillons traités thermomécaniquement avec la machine Gleeble.
- Adapter le refroidissement après ces essais pour mieux reproduire les conditions du procédé industriel;
- identifier microstructuralement les conditions permettant d'atteindre la globularisation des structures d'alliage de TA6V
- finaliser la modélisation microscopique de la déformation du TA6V et émettre des recommandations par rapports aux attentes industrielles en termes de modification possibles de gammes de forge.

Saint-Jalme, Margaux Saint, et al. “Microstructure Evolution during Multiaxial Processing of TA6V.” Materials Science Forum, vol. 1016, Trans Tech Publications, Ltd., Jan. 2021, pp. 1211–1217. Crossref, doi:10.4028/www.scientific.net/msf.1016.1211.

Dans le but d’améliorer les gammes de forge de composants en titane, le projet STAMP aura pour objectif d’étudier les évolutions microstructurales pendant les traitements thermomécaniques du TA6V. On se focalisera notamment sur les mécanismes de globulisation de la phase ? : fragmentation des lamelles initiales en nodules isotropes. Cette transformation est nécessaire entre autres, pour le respect de certaines spécifications fixées par les utilisateurs finaux.

Sur la base des chemins thermomécaniques du procédé industriel simulés par éléments finis on reproduira expérimentalement les évolutions microstructurales issues de chemins thermomécaniques complexes dits « incrémentaux » : On pourra combiner l’utilisation du système de compression plane et uni-axiale à chaud (Centre ARMINES SMS de Mines Saint-Etienne) pour des essais monotones isothermes avec inter-passes, et celle du dispositif Gleeble MaxStrainTm disponible au laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon pour reproduction de séquences de forgeage avec changement de direction et inter-passes à chaud. On validera par modélisation éléments finis les conditions thermomécaniques des échantillons traités dans ce deuxième dispositif, à même de reproduire des cycles thermomécaniques très rapides. La morphologie de la microstructure et la texture seront étudiées, en fonction de ces chemins complexes de forge.

La prise en compte dans les analyses microstructurales de la transformation de alpha en beta au refroidissement, est une des compétences indispensables au projet du laboratoire LEM3 en charge de cette tâche. Une modélisation par éléments finis de la microstructure et de son comportement mécanique à froid, sera ensuite réalisée pour mieux interpréter les bénéfices de la globulisation (INSA MATEIS). Cette modélisation sera nourrie et validée par les résultats d’investigations microstructurales et par l’analyse des échantillons de traction statique issus de pièces de dimension semi-industrielles forgée à chaud par la société Aubert et Duval. De manière plus exploratoire on essaiera aussi d’appliquer ce modèle aux mécanismes de déformation à chaud menant à la globulisation d’une structure lamellaire.

De manière générale, ces travaux permettront de comprendre les évolutions microstructurales permettant (ou limitant) la globulisation de la phase ? en conditions industrielles, imposée pour le dimensionnement en statique et cycliques d’une grande partie des composants aéronautiques. L’échelle industrielle permettant la définition de la problématique et l’évaluation de l’efficacité des investigations du projet sera fortement couplée à l’échelle du laboratoire permettant une accessibilité d’analyse plus large et une agilité d’utilisation des moyens d’essais plus grande que le procédé industriel.