Forgeage d'alliages de titane – Forgeage en matrice chaude

Tout comme le forgeage isotherme, le forgeage en matrices chaudes est un procédé prometteur de forgeage de précision. La différence réside dans le fait que la température de la matrice, dans ce procédé, est supérieure à celle du forgeage conventionnel mais inférieure à celle du forgeage isotherme. Typiquement, la température de la matrice est inférieure de 110 à 225 °C à celle de la billette. Par rapport au forgeage isotherme, cette température de matrice plus basse permet d'utiliser une gamme plus large de matériaux pour les matrices, bien que la capacité à réaliser des pièces très fines et de formes complexes soit légèrement moindre.

Comparé au forgeage conventionnel, le forgeage en matrices chaudes présente les avantages suivants : (1) Réduction de la consommation de matière : grâce à la température élevée de la matrice, le refroidissement de la billette est limité ; cela améliore l'aptitude du matériau au forgeage et permet d'obtenir des pièces avec des rayons de congé, des angles de dépouille et des surépaisseurs de forgeage réduits, diminuant ainsi considérablement le poids de la pièce finale. Par exemple, pour une pièce structurelle en alliage Ti-6Al-4V d'une masse de 28 kg, la pièce obtenue par forgeage conventionnel pèse 154 kg, contre 109 kg pour celle produite par forgeage en matrices chaudes, soit une différence de 45 kg. (2) Réduction du nombre d'opérations de forgeage et augmentation de la capacité de travail de la presse : la température plus élevée de la matrice limite la chute de température de la billette. Alors que le forgeage conventionnel nécessite deux, trois chauffes ou plus pour façonner la pièce, le forgeage en matrices chaudes permet de réaliser le processus en une seule chauffe, ou deux au maximum. De plus, la résistance à la déformation du métal est plus faible, ce qui accroît relativement la capacité de travail de l'équipement. (3) Réduction du volume d'usinage : les pièces issues du forgeage en matrices chaudes étant proches de la masse et des dimensions finales requises, la quantité de matière à enlever lors de l'usinage est moindre par rapport aux pièces obtenues par forgeage conventionnel. (4) Meilleure uniformité du produit : le gradient de température étant considérablement réduit lors du forgeage, l'hétérogénéité de la déformation induite par ce gradient est atténuée ; par conséquent, l'uniformité et la régularité de la microstructure et des propriétés des produits sont supérieures à celles des pièces obtenues par forgeage conventionnel, bien qu'inférieures à celles issues du forgeage isotherme.

Lors du forgeage à chaud en matrice (hot die forging) d'alliages de titane, bien que la température de la billette diminue, elle reste dans la plage de température de forgeage, et la résistance à la déformation n'augmente pas aussi brutalement qu'en forgeage conventionnel. La vitesse de déformation utilisée dans ce procédé varie généralement entre 0,05 et 0,2 s⁻¹. Si la vitesse de déformation est trop faible, la température de la billette risque de chuter.

Dans le forgeage à chaud en matrice des alliages de titane, la température de chauffe, la vitesse de déformation, la microstructure de la billette préformée et le temps de maintien sont des facteurs cruciaux qui déterminent la précision dimensionnelle et la microstructure des pièces formées. En règle générale, une vitesse de déformation plus faible et un temps de maintien plus long favorisent un formage précis. La microstructure de la billette préformée influe directement sur la contrainte d'écoulement et la superplasticité du matériau, ainsi que sur la microstructure finale après forgeage ; toutefois, le forgeage isotherme ou le forgeage à chaud en matrice ne permettent pas d'éliminer totalement les défauts et l'hétérogénéité granulaire présents dans la matière première. Actuellement, le choix du forgeage à chaud en matrice pour les alliages de titane et les superalliages dépend principalement du coût des pièces forgées ou des exigences en matière d'uniformité et de régularité du produit. La tendance actuelle consiste à utiliser des billettes préformées par forgeage conventionnel, suivies d'une opération de forgeage final isotherme ou à chaud en matrice.