Procédés de formage de pièces en alliage de Titane

Le titane et ses alliages

   En général, le titane et ses alliages sont considérés comme plus difficiles à former et ont souvent des caractéristiques de formage moins prévisibles que d’autres alliages métalliques tels que l’acier et l’aluminium. Les alliages de titane peuvent être formés à haute température comme à température ambiante, néanmoins le retour élastique obtenu lors du formage de tôles minces est difficile à prévoir. Un degré élevé de retour élastique est commun dans les procédés de formage à froid et à chaud en raison de la limite d’élasticité élevée des alliages de titane en combinaison d’un faible module d’élasticité. En outre, la structure cristalline hexagonale compacte de la phase ? présente des caractéristiques anisotropes qui impliquent des conséquences pour les propriétés élastiques. Considérant cela, les composants en titane sont généralement formés à des températures élevées souvent par des géométries d’outils surcompensées afin d’éviter le retour élastique et une réalisation de plusieurs étapes de formage avec recuit intermédiaire ou par l’application d’une deuxième opération de « Hot sizing ». L’étude porte sur le T40, le TA6V et le Ti6242. Le T40 est un titane commercialement pur qui se met en forme à froid, c’est ce matériau qui intéresse Daher. Le TA6V et le Ti6242 sont des alliages de titane résistant à haute température, ils se forment principalement à chaud car ils sont plus déformables à haute température, ce sont ces alliages qui intéressent ACB.

Généralités sur le titane

   Les alliages de titane sont traditionnellement utilisés dans le domaine aéronautique, aussi bien pour des pièces de moteur que pour des pièces de structure grâce à leurs bonnes qualités thermiques et mécaniques. Les efforts pour diminuer le poids des aéronefs ont fait émergé l’utilisation massive des composites ; cela a entraîné une utilisation accrue du titane pour différents éléments liés aux composites du fait de sa compatibilité avec ces derniers car le couplage composite avec l’aluminium pose le problème de corrosion galvanique. Leur résistance à la corrosion leur confère de bonnes propriétés en milieux agressifs, c’est pourquoi des alliages de titane se retrouvent dans des applications sous-marines. Le secteur médical est aussi demandeur de ces matériaux, où de nombreuses prothèses et d’implants sont réalisés en alliage de titane. D’autres applications dans le domaine sportif existent, tel le tennis ou le cyclisme, où son rapport poids/résistance lui confère un grand avantage comparé aux autres matériaux. Les propriétés industriellement intéressantes du titane sont sa résistance à la corrosion, souvent associée à la résistance à l’abrasion et au feu, la biocompatibilité, mais aussi ses propriétés mécaniques (résistance, ductilité, fatigue) qui permettent notamment de façonner des pièces fines et légères.

Propriétés élastiques

   L’anisotropie de la structure cristalline hexagonale de la phase ? a des conséquences importantes sur les propriétés élastiques du titane et de ses alliages. La variation du module d’élasticité ? d’un monocristal de titane pur à température ambiante en fonction de l’angle ? entre l’axe ? de la maille élémentaire et l’axe de contrainte est représentée sur la Figure 2.2 qui a été retracée avec les données de Zarkades et Larson. Le module d’élasticité ? représentée varie entre 145 GPa (axe des contrainte parallèle à l’axe ?) et 100 GPa (axe des contraintes perpendiculaire à l’axe ?). De fortes variations similaires sont observées sur des monocristaux de titane pur pour le module de cisaillement ? variant entre 34 GPa et 46 GPa pour des contraintes de cisaillement appliquée dans la direction <1120> et dans les plans (0002) et {101̅0}. Des variations moins marquées dans les propriétés élastiques sont observées dans des polycristaux de titane avec une texture cristallographique. Les variations du module d’élasticité dépendent de la nature et de l’intensité de la texture.

Aptitude au formage

   En fonction du besoin de formage et de la capacité de l’équipement, le titane peut être formé à température ambiante ou à température élevée. Lorsque qu’une pièce en titane est formée à température ambiante, une diminution de la limite d’élasticité à la compression est prévisible allant jusqu’à 25% en raison de l’effet Bauschinger. Le T40 nécessite également une marge relativement importante de retour élastique lors de formage à froid. Un procédé de calibrage à chaud (hot sizing) est utilisé pour corriger les variations de retour élastique après le formage à froid. Le formage par presse à température ambiante est généralement préférable si la capacité de la presse est suffisante et si le rayon de courbure est suffisamment grand. En règle générale, une diminution du rayon de courbure minimum entraîne une température de travail croissante. Un formage à température plus élevée peut être envisagé jusqu’à 400°C sur le T40.

Résistance à la corrosion et propriétés chimiques

   La résistance à la corrosion du Ti6242 n’est pas bien documentée, mais elle est comparable à d’autres alliages à base de Ti-6Al comme le TA6V (Poquillon et al. 2013). La teneur en molybdène du Ti6242 n’est pas suffisamment élevée pour conférer une résistance à la corrosion en atmosphère réductrice. La résistance à la corrosion caverneuse du Ti6242 est inférieure à celle du T40, parce que la corrosion caverneuse est généralement associée à l’acidification de l’appauvrissement de l’oxydant. Concernant l’oxydation, un film d’oxyde bleu se forme après une exposition d’environ 6 à 10h ne dépassant pas 540°C. Aucune dégradation des propriétés mécaniques n’a été observée en milieu oxydant sur le long terme. Dans un environnement fortement oxydant, la résistance est comparable à celle d’un T40 ou TA6V (Poquillon et al. 2013).

Introduction à Forge®

   Forge® est un logiciel de modélisation par éléments finis dédié à la simulation des procédés de mise en forme, il utilise une résolution implicite en vitesse/pression. Dans les méthodes dites implicites, on cherche à chaque pas de temps une solution en déplacement et en vitesse vérifiant le principe des puissances virtuelles. La présence de non-linéarités dans le problème oblige à une recherche itérative de cette solution. Ces méthodes sont particulièrement adaptées aux petites déformations car elles négligent les termes d’inertie par rapport aux termes de comportement. Le coût de la recherche de la solution à chaque pas de temps dépend des non-linéarités présentes dans le domaine, qui peuvent nécessiter un grand nombre d’itérations, voire rendre impossible la convergence de l’algorithme. Il faut aussi tenir compte de la taille du pas de temps : plus le pas de temps est grand, plus le suivi des phénomènes nonlinéaires va réclamer des itérations et influer sur le conditionnement de la matrice de raideur, qui doit en général être inversée à chaque itération. Les méthodes de résolution explicites s’appuient sur un schéma d’intégration explicite en temps et en espace. Elles expriment l’accélération au temps courant en fonction de la solution (déplacements, vitesses et accélérations) au temps précédent. Le calcul de cette accélération, au temps courant, repose sur la résolution d’une équation linéaire. Cette résolution est rendue très rapide grâce à une technique de diagonalisation de la matrice de masse. Avec les méthodes de résolutions dites explicites, il n’y a pas de recherche d’équilibre, et donc pas d’itérations nécessaires pour obtenir cet équilibre. Forge® permet l’utilisation de lois de comportement thermo-élasto-visco-plastique. Les éléments utilisés dans ce logiciel sont des éléments tétraédriques P1+/P1. Les inconnues du problème sont le champ de vitesse et la pression. L’élément P1 est un élément triangle à 3 nœuds sans mini élément. Il permet de caractériser la pression sur un élément. L’élément P1+ est un triangle simple P1 auquel on aura ajouté un 4ème nœud en son centre de gravité.

Table des matières

1 Introduction
1.1 Contexte
1.2 Objectifs de la thèse
1.3 Le formage des tôles de titane
1.3.1 Procédés de formage
1.3.2 Le titane et ses alliages
1.4 Plan du manuscrit
2 Analyse et identification du comportement d’alliages de titane
2.1 Les alliages de titane (T40, Ti6242 et TA6V)
2.1.1 Généralités sur le titane
2.1.2 Structure cristalline
2.1.3 Propriétés élastiques
2.1.4 Modes de déformation
2.1.5 Diagrammes de phase
2.2 Propriétés du T40
2.2.1 Propriétés mécaniques
2.2.2 Anisotropie
2.2.3 Ecrouissage.
2.2.4 Sensibilité à la vitesse de déformation
2.2.5 Aptitude au formage
2.3 Propriétés du TA6V
2.3.1 Propriété mécaniques
2.3.2 Anisotropie
2.3.3 Ecrouissage
2.3.4 Sensibilité à la vitesse de déformation
2.3.5 Composition
2.3.6 Phases et structures
2.3.7 Module d’Young
2.3.8 Résistance à la corrosion et propriétés chimiques
2.3.9 Propriétés thermiques
2.3.10 Aptitude au formage
2.3.11 Relaxation des contraintes
2.4 Propriétés du Ti6242
2.4.1 Propriétés mécaniques
2.4.2 Anisotropie et écrouissage
2.4.3 Sensibilité à la vitesse de déformation
2.4.4 Composition
2.4.5 Phases et structures
2.4.6 Résistance à la corrosion et propriétés chimiques
2.4.7 Aptitude au formage
2.5 Critère d’anisotropie
2.5.1 Coefficients d’anisotropie uniaxiale
2.5.2 Critère de plasticité pour les matériaux isotropes
2.5.3 Critère de plasticité pour les matériaux anisotropes – Hill 1948
2.5.4 Commentaires sur le critère de plasticité Hill48
2.5.5 Paramètres mécaniques utilisés pour la procédure d’identification des critères de plasticité
2.6 Lois de comportement
2.6.1 Loi de comportement dite d’Adinel Gavrus
2.6.2 Revue des lois de comportement utilisées pour modéliser les titanes
2.7 Essais mécaniques
2.7.1 Mise en place d’un essai de traction à chaud
2.7.2 Essais de traction à chaud sur le TA6V
2.7.3 Essais de traction à chaud sur le Ti6242
2.8 Analyse inverse
2.8.1 Méthode utilisée
2.8.2 Limites des approches d’analyse inverse classiques
2.8.3 Modélisation de l’essai de traction à chaud
2.8.4 Résultats de l’analyse inverse
3 Simulations et essais de formage des pièces
3.1 Introduction à Forge®
3.2 Mise en forme à froid de godet en T40
3.2.1 Essais de formage à froid d’un godet en T40
3.2.2 Simulation d’emboutissage à froid d’un godet en T40
3.3 Mise en forme de la pièce industrielle en T40
3.3.1 Essais sur pièce industrielle en T40
3.3.2 Simulation de la pièce industrielle 1 (T40 à froid)
3.4 Mise en forme de la pièce industrielle en Ti6242
3.4.1 Essais sur pièce industrielle en Ti6242
3.4.2 Simulation pièce industrielle 2 (Ti6242 à chaud)
3.5 Mise en forme de la pièce industrielle en TA6V
3.5.1 Essais sur pièce industrielle en TA6V
3.5.2 Simulation du formage de la pièce industrielle 3 (TA6V à chaud)
4 Vers une optimisation des procédés de formage
4.1 Analyse de sensibilité
4.2 Corrélation entre essai de traction et épaisseur minimale
4.3 Analyse de la covariance des paramètres des lois de comportement
5 Conclusions et perspectives

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