FR2609916A1

FR2609916A1 - Procede de forgeage sous enveloppe et par matricage a chaud d'un materiau peu ductile et tres resistant en etat superplastique

Info

Publication number: FR2609916A1
Application number: FR8704411A
Authority: FR
Inventors: Yasunori Torisaka; Masahito Katoh
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1987-01-22
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1988-07-29
Anticipated expiration: 2007-03-30
Also published as: JPH0377242B2; JPS63183104A; FR2609916B1

Abstract

CE PROCEDE CONSISTE A : - ENVELOPPER, DANS UN METAL ISOLANT, LE MATERIAU PEU DUCTILE ET TRES RESISTANT TRAITE POUR RENDRE SES GRAINS SUSCEPTIBLES DE MANIFESTER UNE SUPERPLASTICITE LORSQUE LA VITESSE DE DEFORMATION EST SUPERIEURE A 5 10 S; - CHAUFFER LE MATERIAU ENVELOPPE A UNE TEMPERATURE A LAQUELLE LE MATERIAU EST SUSCEPTIBLE DE MANIFESTER LA SUPERPLASTICITE; ET, - FORGER LE MATERIAU A L'ETAT SUPERPLASTIQUE EN UTILISANT DES MATRICES QUE L'ON MAINTIENT CHAUFFEES A UNE TEMPERATURE INFERIEURE A LA TEMPERATURE A LAQUELLE LE MATERIAU EST SUSCEPTIBLE DE MANIFESTER LA SUPERPLASTICITE.

Description

PROCEDE DE FORGEAGE SOUS ENVELOPPE ET PAR MATRICAGE A CHAUD D'UN XATERIAU PEU DUCTILE ET TRES RESISTANT EN ETAT SUPERPLASTIQUE
La présente invention se rapporte à un procédé de forgeage d'un matériau peu ductile et très résistant en vertu de la superplasticité propre à ce matériau.

Dans le domaine des turbo-moteurs à combustion, par exemple, la construction des moteurs nécessite l'utilisation d'alliages qui possèdent une résistance satisfaisante aux températures élevées et une résistance très stable à la corrosion par oxydation. Un certain nombre d'alliages ont été développés et mis en usage pour satisfaire ce besoin. Ils ont satisfait å l'exigence de résistance aux températures élevées, en règle générale, aux dépens de l'aptitude au façonnage de l'alliage. Cependant, dans la fabrication d'un moteur à réaction qui se compose de milliers de pièces façonnées suivant des formes compliquées en conformité avec des tolérances strictes, l'aptitude au façonnage d'un alliage donné constitue un facteur important pour juger du degré d'utilité de l'alliage.Dans beaucoup d'industries, on peut résoudre ce problème d'aptitude au façonnage, de façon commode, en changeant la composition d'un alliage. Cependant, les normes applicables, imposées pour un alliage å utiliser pour le turbo-moteur à combustion, sont si nombreuses qu'un perfectionnement du procédé d'usinage lui-meme sera une nécessité inévitable, sans qu'il importe que la composition de l'alliage puisse être changée ou non.

Jusqu'ici, le formage en état superplastique était connu comme moyen d'usinage d'un matériau peu ductile et très résistant, tel que, par exemple, un superalliage à base de Ni, par utilisation efficace de la superplasticité propre à l'alliage. Cette méthode nécessite un forgeage isothermique qui consiste à égaliser la température à la fois d'un matériau usiné et de matrices.En outre, étant donné que l'on ne peut généralement pas appliquer l'usinage superplastique au matériau peu ductile et très resistarltt b base de Ni, à moins qu'il ne soit chauffé à une température dépassant 1000'C, cette méthode entraîne la nécessite d'utiliser, pour l'usinage, une matrice réalisée en TZM < alliage à base de Ko contenant 0,5'S de Ti et 0,1 de Zr), lequel est capable de supporter une température élevée, telle que celle mentionnée ci-dessus.

L'alliage TZX est un alliage coûteux. De plus, étant donné que l'alliage présente l'inconvénient sérieux d'une sensibilité élevée à l'oxydation aux températures élevées, le forgeage doit être effectué sous vide ou sous une couverture de gaz inerte, et, comme conséquence inévitable, le système de forgeage, dans sa totalité, devient tout à fait volumineux.

La présente invention a pour objectif de proposer un procédé de forgeage sous enveloppe et par matriçage à chaud d'un matériau peu ductile et très résistant en état superplastique, qui soit un procédé très simple à mettre en oeuvre par comparaison avec le formage en état superplastique connu jusqu'ici dans la technique.Pour atteindre l'objectif décrit ci-dessus, le procédé de forgeage sous enveloppe et par matriçage à chaud en état superplastique, qui est conforme à la présente invention, consiste à
- envelopper, dans un métal isolant, un matériau peu
ductile et très résistant, préparé sous la forme d'une
masse ou d'une poudre, et préchauffé pour réaliser la
conversion de ses grains en structures de granulométrie
hyperfine, capables de manifester une superplasticité
lorsque la vitesse de déformation est supérieure a 5 x 10-3 3 5-l
- chauffer la masse ou la poudre du matériau à forger à
une température suffisamment élevée pour que le
matériau manifeste la superplasticité ; et ensuite,
- forger le matériau à l'état superplastique en utilisant
une matrice maintenue chauffée à une température
inférieure à celle à laquelle le matériau est susceptible de
manifester la superplasticité (cette température se
situant notamment dans la plage de 200 C à 9506C et ne
dépassant pas le niveau auquel la matrice cède à la
chaleur).

En raison du fait que le pré-traitement du matériau peu ductile et très résistant, pour la conversion de ses grains grossiers en grains hyperfins, permet d'élever la vitesse de déformation à laquelle le matériau acquiert l'indice maximal de sensibilité à la vitesse de déformation, le procédé de forgeage de la présente invention raccourcit la durée pendant laquelle l'alliage doit être maintenu à l'état chauffé avant le forgeage et permet au matériau peu ductile d'être facilement usiné à l'air libre, sans nécessiter l'utilisation d'une matrice couteuse en alliage
TZX, et sans exiger que le site de forgeage soit placé sous vide ou sous une couverture de gaz inerte.

Les autres objectifs et caracteristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée ci-après, en référence au dessin annexé, sur lequel:
- la Figure 1 est une vue en coupe transversale
illustrant la forme d'un lingot avant qu'il ne soit
extrudé conformément à l'Exemple 1
- la Figure 2 est une vue de face illustrant la forme
d'un échantillon pour l'essai en état superplastique de
l'Exemple l
- la Figure 3 est un graphe montrant l'effet de la
vitesse de déformation sur la contrainte de déformation
plastique maximale à 10500C
- la Figure 4 est un graphe montrant l'effet de la
vitesse de déformation sur l'allongement total d'un
échantillon à lO50-C
- la Figure 5 est une vue en coupe transversale
illustrant la forme d'un lingot avant qu'il ne soit
façonné conformément à l'Exemple 1
- la Figure 6 est une vue en coupe transversale
illustrant la forme acquise par le lingot après le
forgeage sous enveloppe et par matriçage à chaud en état
superplastique ; - la Figure 7 est un graphe illustrant le rapport entre
la charge, le déplacement et la température, auquel
satisfait un échantillon au cours du forgeage sous enveloppe
et par matriçage à chaud en état superplastique - les Figures 8(a) et 8 < b) sont des vues en coupe
transversale illustrant les dimensions de deux paquets
utilisés conformément à l'Exemple 2 - la Figure 9(a) est une vue en coupe transversale
illustrant la forme acquise par un lingot après
forgeage isothermique - la Figure 9(b) est un graphe illustrant le rapport
charge-déplacement, auquel satisfait un échantillon au
cours du forgeage isothermique - la Figure 9(c) est un graphe illustrant une
distribution des duretés d'un échantillon après
forgeage isothermique - les Figures 10(a) et 10(b) sont des vues schématiques
en coupe transversale illustrant des lingots obtenus
après forgeage par matriçage à chaud, en état
superplastique, de paquets réalisés en S35C - les Figures ll(a) et ll(b) sont des vues schématiques
en coupe transversale illustrant des lingots obtenus
après forgeage par matriçage à chaud, en état
superplastique, avec enveloppe réalisées en SUS 3024 - les Figures 12 à 14 sont des graphes illustrant la
distribution des duretés de lingots obtenus apres
forgeage par matriçage à chaud, en état superplastique, avec
enveloppes réaliséesen divers matériaux la Figure 15 est un graphe illustrant le rapport entre
la dureté Vickers et la réduction de surface par
laminage dans Mod. IN-lOO - les Figures 16 et 17 sont des graphes illustrant le
rapport entre la charge, le déplacement et la
température, auquel satisfont ds paquets réalisés avec une enveloppe es
SUS 304 au cours du forgeage sous enveloppe et par matriçage
à chaud, en état superplastique
- la Figure 18 est un graphe illustrant le rapport entre
le temps de recuit et la taille des grains à 1150-C
- la Figure 19 est un graphe illustrant le rapport entre
le temps de recuit pour la croissance des grains et la
dureté Vickers.

Les inventeurs ont découvert que, lorsqu'un matériau peu ductile et très résistant, tel que, par exemple, un superalliage à base de Ni, est extrudé à une température située dans une plage allant de la température de résolution de la phase /' diminuée de 1500C à ladite température de résolution de la phase y', pour une réduction de surface non inférieure à 70 %, et qu'il est ensuite recuit à une température allant de la température de résolution de la phase γ;' diminuée de 1500C à ladite température de résolution de la phase ', le diamètre moyen de ses grains peut être diminué jusqu'a une valeur de l'ordre d'environ 1,5 jim, et que le matériau, qui presente une taille de grain de 1,5 m, présente l'indice maximal de sensibilité-à la vitesse de déformation (ci-après désigné en abrégé par l'expression valeur m ), à des températures se situant dans la plage de 1050-C a 1100 C, à une vitesse de déformation remarquablement élevée d'environ 2,5 x 10 2 s 1, alors que le superalliage à base de Ni ordinaire présente la valeur m à une vitesse de déformation d'environ 2 x 10 s
Le fait que la forte valeur m soit obtenue à la vitesse de déformation de 2,5 x 10-2 s-1 signifie que, lorsqu'un échantillon de 50 mm de hauteur hors tout doit etre comprime à une épaisseur de 15 mm par forgeage, le formage en état superplastique traditionnel nécessite un temps de forgeage d'environ 5 minutes, à la vitesse de déformation qui lui est propre et, par conséquent, n'offre pas d'autre solution que de s'en rapporter au forgeage isothermique, å des températures allant de 1050C à 1100 C, alors que le procédé de la présente invention est capable d'achever ce travail de compression en 30 secondes environ, soit une murée d'approximativement un dixième de la duree susmentionnée, et qu'il est seulementncessaire de maintenir l'échantillon dans la plage des températures susmentionnees pendant ce temps de forgeage raccourci.

Le procédé de forgeage de la présente invention peut être appliqué de façon efficace d tous les matériaux qui peuvent être usinés par la méthode de formage en état superplastique. On peut travailler, non seulement sur des alliages à base de Ni, tels que IN-100, XAR-X-200 et
Rene 95, et sur des alliages à base de Ti, tels que
Ti-6A1-4V, mais également sur de l'acier à coupe rapide, de l'acier d très haute teneur en carbone, et de l'acier duplex 6
Pour le grain d'un matériau peu ductile et très résistant à convertir en structures de granulométrie hyperfine, capables de manifester une superplasticite à la vitesse de déformation elevée susmentionnée, à savoir, présentant une forte valeur m, on peut utiliser le procédé qui consiste à soumettre ce matériau à une déformation plastique à l'état chauffé, et à recuire ensuite le matériau déformé à une température de recristallisation. Ce traitement de conversion des grains grossiers en grains hyperfins est effectué, de façon souhaitable, dans une mesure telle que les grains hyperfins produits presenteront un diamètre aussi fin que possible, par exemple, un diamètre de quelques > m, de préférence ne dépassant pas environ 3 pm.

Le procédé a été décrit tel qu'il est appliqué à un matériau se présentant sous une forme massive. Il peut également être appliqué directement à une poudre obtenue par un traitement de refroidissement rapide, et, en conséquence, formée de structures hyperfines de diamètres ne dépassant pas 1 pm.

Comme cela a été décrit ci-dessus, la conversion des grains d'un matériau peu ductile et très résistant en grains hyperfins, capables de présenter la valeur m, est effectuée par un procédé d'extrusion, et, ensuite, le forgeage du matériau est réalisé. Cependant, etant donne qu'il est impossible pour les installations d'extrusion disponibles à ce jour d'imposer au matériau une pression.

suffisamment importante pour effectuer la conversion, les produits obtenus après forgeage présentent simplement un diamètre d'environ 40 cm au plus, Par ailleurs, l'utilisation d'une poudre capable de présenter la valeur m, en tant que matériau de départ, ne subit pas de telles limitations, et, en conséquence, est adaptée pour la fabrication de produits de dimensions importantes, tels que disques de turbine pour un avion de ligne gros-porteur, etc.

Préalablement au forgeage du matériau peu ductile et très résistant, le matériau est enfermé dans un métal isolant, et,-ensuite, il est chauffé à une température lui permettant de manifester sa superplasticité, et la matrice à utiliser pour le forgeage est chauffée à une température se situant dans la plage de 200vC à 950-C, et ne dépassant pas le niveau auquel la filière cède à la chaleur. Ce traitement est destiné à maintenir le matériau à la température nécessaire pour le forgeage en état superplastique, jusqu'à ce que le forgeage soit achevé.

C'est de ce point de vue que les diverses conditions, telles que la mesure dans laquelle le matériau peu ductile et très résistant doit être enfermé dans le métal isolant et la température a laquelle la matrice doit être chauffée, sont déterminées.

L'inclusion du matériau dans le métal isolant vise principalement à maintenir le matériau à la température à laquelle se manifeste sa superplasticité, durant le temps du forgeage, comme décrit ci-dessus. Aussi longtemps que le métal isolant remplit cet objectif, il n'est pas nécessaire d'enfermer le matériau complètement. Parfois, il suffit que le métal isolant enferme partiellement le matériau, de telle sorte que seulement les parois périphériques du matériau soient entourées et que la paroi supérieure et la paroi inférieure de celui-ci soient laissées exposées à l'air libre.

Plus précisément, on effectue le forgeage en enveloppantlamatière peu ductile mécaniquement dans un alliage du type Fe, tel qu'un acier a teneur moyenne en carbone ou un acier inoxydable, qui possède un degré assez élevé de ductilité et une résistance égale ou inférieure à celle du matériau de la matrice, en chauffant le matériau à la température à laquelle se manifeste sa superplasticité, en disposant le matériau chaud entre des matrices supérieure et inférieure, chauffées à l'avance à une température ne dépassant pas 950'C, et en appliquant la pression nécessaire sur les matrices. Alors que la limite supérieure de la température à laquelle les matrices sont chauffées est de 950'C, cette température peut être abaissée librement par un ajustement approprié de l'épaisseur du matériau d'enceinte.Lorsque l'épaisseur du matériau d'enceinte est d'environ 5 mm, par exemple, la limite inférieure de la température des matrices peut même être abaissée jusqu'à environ 500'C. Dans ce cas, il est nécessaire que les matrices soient réalisées en un matériau présentant la température susmentionnée comme limite supérieure au-delà de laquelle le matériau de matrice cède a la chaleur.

Lorsqu'un échantillon se présentant sous la forme d'une poudre formée de structures hyperfines doit être forgé, le métal isolant a utiliser se présente sous la forme d'une capsule On effectue le forgeage en remplissant cette capsule par l'échantillon pulvérulent, en désaérant la masse de ce matériau pulvérulent pour empécher l'oxydation, en scellant de façon étanche la capsule, en chauffant le matériau pulvérulent en combinaison avec la capsule, à la température à laquelle se manifeste sa superplasticité, en disposant le matériau chaud, comme pour le matériau massif, entre les matrices supérieure et inférieure préchauffées, et en appliquant la pression désirée sur les matrices.Par consequent, dans le forgeage d'un échantillon pulvérulent, le métal isolant remplit le double but d'isoler l'échantillon et de conserver la forme de l'échantillon durant le déroulement du forgeage. Il est donc nécessaire que le matériau isolant soit constitué par un matériau se présentant sous une forme telle qu'il résistera au choc de la consolidation du matériau soumis au traitement.

Ensuite, on soumet le produit du forgeage en état superplastique à un traitement par la chaleur pour épaissir la taille des grains. Ce traitement a pour but d'augmenter la résistance au fluage aux températures élevées. Dans le cas d'un alliage à base de Ni, on effectue ce traitement en recuisant le produit a une température non inférieure à 1150-C, pendant plusieurs heures.

Après le traitement de forgeage ou après le traitement susmentionné pour épaissir les grains, le métal isolant, enveloppant le matériau, peut être facilement retiré, soit par une méthode chimique, laquelle consiste à immerger le matériau, alors qu'il est enfermé dans le métal isolant, dans de l'acide nitrique dilué, soit par une méthode mécanique, laquelle consiste à meuler le métal isolant.

Comme il ressort de la description précédente, conformément à la présente invention, on augmente la vitesse de déformation, à laquelle le matériau peu ductil et très résistant acquiert la valeur m maximale, en traitant le matériau de façon à convertir ses grains grossiers en grains hyperfins. Ce matériau est chauffé à la température à laquelle se manifeste sa superplasticité, et, ensuite, il est façonné dans une matrice. En raison du fait que l'alliage susmentionné est totalement ou partiellement envoloppédans le métal isolant, et que la matrice également est maintenue à l'état chauffé, en association avec le fait que le temps de forgeage est raccourci par suite de l'élévation susmentionnée de la vitesse de déformation, l'alliage est refroidi au minimum et il est maintenu à une température suffisamment élevée pour le forgeage, tout au long de la période de forgeage.

Par conséquent, par le procédé de forgeage sous enveloppe et par matriçage å chaud en état superplastique, qui est conforme à la présente invention, le forgeage peut être effectué sans utilisation d'une matrice coûteuse en alliage
TZX, et il peut être réalisé à l'air libre, sans que l'on ait recours à un système sous vide volumineux, qui est sinon indispensable pour empêcher l'alliage TZX de s'oxyder. Dans le cas d'un échantillon pulvérulent, le matériau peut être forgé et, simultanément, consolidé. Ainsi, la présente invention constitue un apport technique important.

Xaintenant, la présente invention sera décrite plus en détail en référence aux exemples.

EXEMPLE 1
Dans l'atmosphère ambiante, une capsule de SUS 304 (1,5 mm à 2,5 mm d'epaisseur de paroi) a été remplie, dans une densité relative effective d'environ 65, avec une poudre atomisée de Mod. IN-1OQ, passant à travers un tamis de 45 pm d'ouverture de maille (325 mess), fabriquée par la Société Homogoneous Xetals Inc., Etats-Unis d'Amérique , et présentant la composition indiquée dans le
Tableau 1.

On a établi, dans la capsule renfermant la masse de poudre atomisée, un vide de 0,67 Pa (5 x 10 3 Torr > et, ensuite, on a scellé la capsule de façon étanche. On a soumis la capsule remplie à un traitement de compression isostatique à chaud < CIC), dans les conditions de 1100*C x 91,2 XPa x 1 h.Ensuite, pour ajuster le degré d'usinage et pour protéger la matrice durant le déroulement de l'extrusion l'échantillon a été à nouveau enfermé dans une capsule de S35C, présentant les dimensions indiquées sur la Figure 1, il a été extrudé å 1100'C, avec un rapport de 72%, avec une vitesse de piston de 20 mm.s et il a été recuit à 1070C, pendant eo minutes, afin de préparer un superalliage à base de Ni, formé de grains hyperfins.

présentant un diamètre d'environ 1,5 pm. Sur la Figure 1, les chiffres de référence 1 et 2 désignent respectivement un capuchon avant et un manchon, réalisés tous deux en S35C, le chiffre de référence 3 désigne un capuchon arrière, réalisé en SUS 304, et le chiffre de référence -4 désigne un échantillon à usiner.

Tableau 1
(% en poids)

<tb> <SEP> C <SEP> Si <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> ' <SEP> Cu
<tb> <SEP> 0,063 <SEP> < 0,05 <SEP> (0,008 <SEP> (0,005 <SEP> (0,003 <SEP> (0,002
<tb> <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> Co <SEP> Ti <SEP> Al
<tb> Complément <SEP> 12,43 <SEP> 3,40 <SEP> 18,36 <SEP> 4,27 <SEP> 4,84
<tb> <SEP> Nb <SEP> Hf <SEP> Zr <SEP> B <SEP> W <SEP> Fe
<tb> <SEP> (traces > <SEP> 0,053 <SEP> 0,023 <SEP> 0,03 <SEP> 0,088
<tb> <SEP> Nb <SEP> Hf <SEP> Zr <SEP> B <SEP> W <SEP> Fe
<tb> (traces) <SEP> (traces) <SEP> 0, <SEP> 053 <SEP> o, <SEP> 023 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 0, <SEP> 088
<tb> <SEP> V <SEP> Cd+Ta <SEP> Pb <SEP> Bi <SEP> O <SEP> N
<tb> <SEP> 0, <SEP> 650 <SEP> < 0,02 <SEP> j <SEP> < 0,1 <SEP> < 0,2 <SEP> 103 <SEP> 23
<tb> <SEP> (ppm) <SEP> (ppm > <SEP> < ppm) <SEP> (ppm) <SEP>
<tb>
Ensuite, un échantillon, ayant les dimensions présentées sur la Figure 2, a été découpé dans le matériau résultant du traitement décrit ci-dessus. Sur la Figure 2, les points a , b et c indiquent chacun la position d'un thermocouple.Le contrôle de la température a été effectué au point a . La distance entre les repères, c'est-à-dire les saillies aux deux positions, était de 10 mm. En utilisant un servogenérateur d'impulsions de qualité pour températures élevées, doté d'une chambre sous vide et actionné par un chauffage haute fréquence, une pièce à essayer donnée a été chauffé à une température fixee de 1050-C, et elle a été maintenue à cette température, pendant 10 minutes, et, ensuite, elle a été étirée à une vitesse de tête transversale constante.

La Figure 3 est un graphe montrant les courbes de la valeur m que l'on obtient en déterminant la contrainte de déformation durant l'essai de traction en termes de maximum de la courbe contrainte-déformation et en portant les maxima en fonction des vitesses de déformation. La Figure 4 est un graphique montrant les courbes de l'allongement total obtenu simultanement dans l'essai de traction.

Un jeu de matrices réalisées en un alliage à base de Ni, l'alliage Inconel 713C, a été placé dans un four électrique de forme appropriée et les matrices ont été mises en place entre une tête transversale et ia table d'une machine à essais universelle de 200 tonnes. Dans cette disposition, les matrices ont été maintenues chauffées au voisinage de 600 C, au moyen du four électrique, et un matériau enfermé dans un métal d'isolation, du S35C,montré sur la Figure 5 (avec le matériau d'enveloppe utilisé durant l'extrusion réutilisé pour former ses parois latérales) et ayant été maintenu à l'avance à 1100"C pendant 10 minutes, dans un four électrique séparé, a été immédiatement < en l'espace de 2 ou 3 secondes) disposé entre les matrices susmentionnées et, ensuite, forgé a une vitesse de déformation initiale constante de 1,8 x 10 2 s 1. La température de coeur du matériau était d'environ 1050 C immédiatement avant le forgeage.

Pour lubrifier le matériau à forger, un lubrifiant du type verre (produit par la Société Acheson Co, Ltd. et commercialisé sous le code de produit DG 347M ) a été appliqué suivant une épaisseur de 1 mm sur les parois supérieure et inférieure et sur la paroi latérale. Pour la lubrification des matrices, le meme lubrifiant a été appliqué suivant une épaisseur de 1 mm.

La Figure 6 est une conception artistique de la section transversale du matériau après le forgeage. Les nombres indiqués sur le diagramme représentent les valeurs de la dureté Vickers obtenue aux emplacements indiqués par la méthode dela moyenne sur cinq points < 300 gf x 10S). La valeur A.F. indiquée représente la valeur de la dureté
Vickers avant le forgeage.

La Figure 7 montre la courbe charge-déplacement et la variation de température obtenue du matériau. Sur le graphique, la courbe en trait pointillé représente les températures sur les parois latérales du matériau à forger, telles qu'elles ont été mesurées avec un thermomètre sans contact, et DT5 et DTI représentent les résultats de la mesure des températures internes de la matrice supérieure et de la matrice inférieure, par utilisation d'un thermocouple (PR). La limite d'allongement 0,20S du matériau a été trouvee par soustraction de la limite d'allongement 0,2% de
S35C et la surface en coupe transversale de S35C de la charge correspondant A la déformation 0,2% et par division de la différence par la surface en coupe transversale de
IN-100.

Dans le matériau, étant donné que la déformation progressait dans un état d'adhésion parfait comme représenté par la flèche sur la Figure 6, une forte convexité s'est produite dans le Xod. IN-100. Absoluement aucun défaut n a été observé résultant du phénomène de convexité. La température des parois latérales a diminué de façon remarquable durant la phase moyenne du forgeage, comme représenté sur la Figure 7. Cette chute de température est estimée s'être produite parce que la contrainte de déformation du S35C dans les parois latérales a augmenté tellement qu'elle a provoqué un effet isostatique.

Le Xod. IN-100 a continué à posséder une ductilité élevée.

Ce fait suggère eventuellement que la déformation du matériau a suivi la déformation forte due à la convexite sans entraîner de production de fendillement. Cette déformation accompagnant la convexité se manifeste sous la forme d'une valeur de la dureté Vickers avoisinant la saturation, comme montré sur la Figure 6.

En tout cas, le fait que le matériau soit déformé par convexité sans provoquer de défaut indique que le forgeage isothermique qui nécessitait inévitablement jusqu'ici l'utilisation d'une matrice coûteuse en alliage TZM peut être effectué avec utilisation de n'importe quelle matrice bon marché classique. Le mérite de l'utilisation de cette matrice bon marché est estimé comme étant très important.

EXEMPLE 2
La poudre de Mod. IN-100, passant à travers un tamis de 45 Hm d'ouverture de maille (325 Mesh), fabriquée par la Société < ( Homogoneous étals Corp., Etats-Unis d'Amérique , et présentant la composition indiquée dans le
Tableau 1 a été scellée dans quatre enveloppes différentes réalisées suivant les structures présentées sur la figure 8 (a) et la Figure 8(b), utilisant S35C et SUS 304. Seul le matériau A1 a été forgé de façon isothermique à la température de 1050 & . Les quatre enveloppes remplies comme indiqué ci-dessus seront désignées par les symboles présentés dans le Tableau 2.

Tableau 2

<tb> Symbole <SEP> Matériau <SEP> Forme
<tb> <SEP> A1 <SEP> S35C <SEP> Figure <SEP> 6(a) <SEP>
<tb> <SEP> A2 <SEP> SUS <SEP> 304 <SEP> Figure <SEP> 8(a) <SEP>
<tb> <SEP> B1 <SEP> S35C <SEP> Figure <SEP> 8(b)
<tb> <SEP> B2 <SEP> SUS <SEP> 304 <SEP> Figure <SEP> 8(b) <SEP>
<tb>
La forme en coupe transversale prise par le matériau A1 par suite du forgeage est montrée sur la Figure 9(a), la courbe charge-déplacement obtenue du matériau A1 durant le forgeage, sur la Figure 9(b), et la distribution des duretés du matériau A1, obtenue après le forgeage, sur la Figure 9(c).

Ensuite, les matrices de la machine à essais universelle de 200 tonnes, décrites d l'Exemple 1, ont été chauffées et maintenues à une température d'environ 600'C dans un four électrique, Les échantillons que l'on a obtenus en remplissant les quatre enveloppes réalisées avec les différents matériaux présentés dans le Tableau 2,avec la poudre d'alliage de Xod.IN-100 ont été maintenus de façon stricte à 1100'C, pendant 10 minutes, dans un autre four électrique, et, immédiatement (après un laps de temps de 2 à 3 secondes) introduits entre les matrices susmentionnées (la température la plus interne de l'échantillon après l'introduction était d'environ 1050-C > et forgés sous enveloppe par matriçage à chaud en état superplastique, à une vitesse de table de 0,95 à
-1 0,96 mms
Les parties < a) et < b) de la Figure 10 et de la
Figure 11 sont des croquis des formes en coupe transversale prises par les échantillons après le forgeage sous enveloppe par matriçage à chaud, en état superplastique les les Figure 10 et 11 représentent les formes des échantillons utilisant respectivement S35C et SUS 304 comme matériau d'enveloppe. Les parties hachurées des diagrammes représentent les matériaux d'enveloppe, les parties en blanc au centre, les parties dans lesquelles la consolidation s'était produite, et les parties comportant des points, les parties dans lesquelles l'absence de consolidation a été confirmée visuellement. La Figure 12 montre la dureté Vickers de l'échantillon forgé de la Figure 10 < b), et la Figure 13 et la Figure 14 montrent les duretés
Vickers des échantillons de la Figure ll < a > et de la Figure 11(b).

A partir des résultats décrits ci-dessus, on remarque que les échantillons utilisant S35C comme matériau d'enveloppe n' ont pas réussi à atteindre une densité vraie comme dans le cas du forgeage isothermique, par comparaison avec les échantillons utilisant le matériau traité par CIC, même lorsque l'épaisseur de l'enveloppe était augmentée, pour donner le matériau B1.

Cependant, les échantillons utilisant SUS 304 comme matériau d'enveloppe, ont atteint de façon parfaite une densité vraie, lorsque l'épaisseur de l'enveloppe a été augmentée dans une certaine mesure. A l'observation au microscope, ce matériau, lors de sa déformation, n'a produit absolument aucun défaut discernable, excepté pour une partie de ses parois opposées et il a présenté une structure fine.

Durant le forgeage susmentionné, la consolidation de la poudre a été achevée aux approches du stade intermédiaire de forgeage dans lequel la température des parois latérales du SUS 304 a été abaissée de façon notable.

Ce phénomène a été occasionné par une pression isostatique importante due à une contrainte de déformation élevée se produisant dans les parois latérales du SUS 304. La déformation qui s'est produite ensuite a été entièrement identique à celle se produisant dans le forgeage sous enveloppe et par matriçage a chaud en état superplastique. Etant donné que la poudre de Mod. IN-100 maintenait encore sa superplasticité, l'échantillon a suivi la déformation importante sans entraîner la production de vides. Après le forgeage, une dureté avoisinant la dureté d'un matériau ayant subi une compression isostatique à chaud s'est manifestée sur la surface, et une dureté dépassant la dureté d'un matériau ayant subi une compression isostatique à chaud s'est manifestée au centre.Ce fait laisse entendre qu'à proximité de la surface de l'échantillon, la poudre ellemême a subi une consolidation parfaite sans souffrir d'une quelconque déformation plastique, alors qu'au centre, la poudre a conduit à une déformation plastique importante après consolidation.

La Figure 15 montre l'effet de la déformation plastique sur la valeur de la dureté. A partir de ce diagramme, on remarque que même une légère augmentation de la valeur de la dureté signifie l'emploi d'une déformation plastique très importante sur l'échantillon. Cette déformation plastique importante est nécessaire pour la désintégration du PPB (acronyme pour prior particle boundary < jonction des particules antérieure , qui est principalement composé de carbures, tels que TiC). Dans ce qui suit, le forgeage sous enveloppe et par matriçage à chaud en état superplastique utilisant le matériau pulvérulent, conformément à l'Exemple 2, sera désigné par l'expression forgeage de poudre , sous enveloppe et par matriçage à chaud, en état superplastique .

Ce qui devrait être souligné de façon particulière ici est le fait que, dans le matériau ayant subi une compression isostatique à chaud, la structure est rendue plus grossière.

alors que dans le matériau ayant subi le forgeage de poudre sous enveloppe et par matriçage à chaud, en état superplastique, utilisant un matériau d'enveloppe au moins équivalent au SUS 304, la structure reste dans son état fin et le PPB est complètement absent, bien que pas toujours.

Ce fait implique que ce matériau retourne tel qu'il est dans le produit final et qu'il peut être utilisé comme matériau de préformage, ne nécessitant ni compression isostatique à chaud ni extrusion. Par exemple, un disque de grandes dimensions susceptible d'être assemblé sur un avion grosporteur peut être fabriqué par ce procédé.

La Figure 16 et la Figure 17 sont des graphes montrant respectivement la courbe charge-déplacement et le changement de température, tels qu'on les obtient, du matériau d'enveloppe de SUS 304 durant le déroulement du forgeage. Le premier graphe montre les données des échantillons utilisant le matériau d'enveloppe A2 et le second graphe, celui des échantilAons utilisant le matériau d'enveloppe B2.

Maintenant, on décrira les résultats du forgeage de poudres, sous enveloppe et par matriçage à chaud, en état superplastique, réalisé sur des échantillons dans lesquels la poudre elle-même était de granulométrie plus importante.

Des échantillons utilisant le matériau A1 ont été forgés Jusqu'à une certaine mesure pour augmenter le rapport d'empaquetage de la poudre < 50 à 60% avant le forgeage).

Ensuite, pour augmenter la taille des grains de la poudre, les échantillons ont été recuits å des températures variables < 550-C à 1100'C, élevée par incréments de 50-C > pendant 23 heures. La Figure 18 montre la taille de grains d'un matériau ayant subi une compression isostatique à chaud après le recuit réalisé à 1150-C pendant différentes longueurs de temps. On remarque à partir de ce diagramme que les diamètres des grains ont tous dépassé 10 mm au bout de 24 heures de recuit.

On a trouvé que tous les échantillons contenaient des vides macroscopiquement importants et ne permettaient pas du tout la mesure de la dureté. Dans le but de supprimer les vides susmentionnés de ces échantillons, ceuxci ont été soumis à un traitement en solution de cinq heures à 1250'C et, ensuite, on les a soumis à l'expérience pour connaître leur dureté. Les résultats sont tels que présentés sur la Figure 19. Bien qu'ils présentaient une légère amélioration de la dureté dans le domaine de la superplasticité, c'est-à-dire dans la plage de températures de 1050 C à 1100'C, les valeurs de la dureté étaient très faibles dans l'ensemble. Même par l'observation au microscope optique, on a trouvé que les échantillons contenaient de nombreux vides minuscules.

On déduira des résultats exposés ci-dessus, qu'il est important qu'un matériau pulvérulent utilisable dans la présente invention présente une structure fine.

Claims

REVENDICATIONS

1 - Procédé de forgeage sous enveloppe et par matriçage à chaud d'un matériau peu ductile et très resistant, en etat superplastique, caractérisé par le fait qu'il consiste à

- envelopper,dans un métal isolant, le matériau peu

ductile et très résistant traité pour rendre ses grains

susceptibles de manifester une superplasticité lorsque

la vitesse de déformation est supérieure à -3 -1

5 x 1o s

- chauffer le matériau enveloppé à une température à

laquelle le matériau est susceptible de manifester la

superplasticité ; et,

- forger le matériau à l'état superplastique en utilisant

des matrices que l'on maintient chauffées à une

température inférieure à la température à laquelle le

matériau est susceptible de manifester la

superplasticité.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau traité se présente sous la forme d'une poudre de granulométrie hyperfine, au plus égale a 1 pm.

3 - Procédé selon 1' une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le metal isolant est ductile et possède une résistance égale ou inférieure à la résistance des matrices.

4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau à forger est totalement enveloppé dans le métal isolant.

5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le matériau a forger est partiellement enveloppé dans le métal isolant.

6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le matériau isolant enveloppe la partie du matériau qui doit être forgée.

7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la température à atteindre pour que la superplasticité se manifeste, se situe dans la plage de 500 à 1200 C.

8 - Procede selon l'une des revendications 1 8 7, caractérisé par le fait que les matrices sont réalisées en un matériau qui présente la température des matrices chauffées comme limite supérieure de température de résistance à la chaleur.

9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les matrices sont chauffées à une température se situant dans la plage de 200 C à 950-C.

10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le matériau à forger est un matériau alliage de type Fe massif ou en poudre, choisi dans le groupe constitué par les alliages à base de Ni, tels que IN-100, MAR-M-200 et Rene 95, les alliages à base de Ti, tels que Ti-6A1-4V, l'acier à coupe rapide, l'acier à très haute teneur en carbone et l'acier duplex 6/Y.