Influence de la vitesse de refroidissement sur la microstructure de trempe β des tôles en alliage de titane TC2

L'alliage de titane TC2 est un alliage de type « quasi-alpha » (near-α) caractérisé par une faible résistance mécanique et une plasticité élevée ; il contient 4 % d'aluminium (Al), élément stabilisant la phase α, et 1,5 % de manganèse (Mn), élément stabilisant la phase β. À l'équilibre à température ambiante, cet alliage se compose d'une phase α et d'une faible proportion de phase β (généralement comprise entre 2 % et 4 %). Il présente une bonne plasticité de mise en forme ainsi qu'une excellente stabilité thermique, ce qui lui vaut une large utilisation dans l'industrie aérospatiale.

Lorsque des tôles en alliage de titane TC2 sont utilisées pour fabriquer des pièces aéronautiques, on a recours au formage à froid ; cela impose des exigences strictes quant à la microstructure et aux propriétés du matériau afin d'éviter toute déformation hétérogène lors de l'opération. Pour satisfaire aux impératifs du formage à froid de ces composants, la microstructure doit être uniforme et présenter des grains équiaxes fins.

La trempe depuis le domaine β constitue une méthode efficace pour éliminer les microstructures anormales des tôles en alliage de titane TC2. Toutefois, en conditions industrielles, lors de la trempe de tôles de grandes dimensions, une extrémité pénètre dans l'eau alors que l'autre subit inévitablement un certain délai avant d'y être immergée. Afin d'évaluer l'impact de ce décalage temporel sur la microstructure résultant de la trempe, des chercheurs ont étudié une méthode combinant trempe à l'eau et refroidissement à l'air, simulant ainsi le processus industriel réel, puis ont analysé l'influence de la vitesse de refroidissement sur la microstructure β obtenue après trempe.

Un lingot fini en alliage de titane TC2 de 420 mm de diamètre (point de transformation de phase : 975 ± 10 °C) a été élaboré dans un four à arc sous vide à électrode consommable, en utilisant un procédé de fusion combinant vide primaire et remplissage secondaire à l'argon. Ce lingot a été forgé pour obtenir une billette de 200 mm d'épaisseur sur une presse à forgeage rapide de fort tonnage, puis laminé à chaud sur un laminoir de 2800 mm pour produire une tôle de 11 mm d'épaisseur. Des échantillons métallographiques ont été prélevés dans le sens du laminage, et la tôle a ensuite subi un traitement de recuit à 760 °C. Après recuit, des échantillons métallographiques ont été prélevés dans le sens de laminage de la tôle, tandis que des échantillons destinés au traitement combiné trempe à l'eau/refroidissement à l'air (dimensions 25 mm × 25 mm × 600 mm) ont été découpés dans le sens travers. La tôle a ensuite subi une trempe β, suivie d'opérations de transformation ultérieures pour obtenir la tôle finie en alliage de titane TC2. Les extrémités de la tôle entrant en premier et en dernier dans l'eau lors de la trempe β ont été sélectionnées pour les analyses métallographiques. Le traitement combiné trempe à l'eau/refroidissement à l'air consiste à chauffer l'échantillon à 1000 °C, à le maintenir à cette température pendant une certaine durée, puis à immerger rapidement une extrémité dans l'eau tout en laissant l'autre à l'air libre. Les microstructures suivantes ont été observées à l'aide d'un microscope métallographique Olympus : microstructure de la tôle dans le sens de laminage après laminage à chaud, microstructure après recuit à 760 °C, microstructures des zones correspondantes des échantillons traités par trempe à l'eau/refroidissement à l'air, et microstructure de la tôle après trempe β (pour les extrémités entrant en premier et en dernier dans l'eau). Les résultats des essais montrent que :
(1) La partie des échantillons combinés soumise à la trempe à l'eau subit une transformation martensitique, mais le processus diffère selon les conditions. À mesure que la vitesse de refroidissement diminue, la quantité de phase α précipitée de manière discontinue aux joints de grains augmente, et ces précipités finissent par relier les joints de grains entre eux ; toutefois, aucune caractéristique microstructurale distincte n'est observable au microscope optique.
(2) La partie des échantillons combinés soumise au refroidissement à l'air présente une structure entièrement lamellaire. Avec la diminution de la vitesse de refroidissement, les colonies de phase α s'agrandissent considérablement et la largeur des grains α augmente ; les liserés de phase α aux joints de grains s'élargissent progressivement.
(3) La tôle dont l'extrémité est entrée en dernier dans l'eau lors de la trempe présente une microstructure hétérogène, caractérisée par une répartition en couches ; en revanche, la tôle dont l'extrémité est entrée plus rapidement dans l'eau présente une microstructure proche de celle obtenue par trempe à l'eau intégrale en raison de la vitesse de refroidissement plus élevée, l'observation métallographique révélant une structure équiaxe fine et uniforme.le rigoureux de la microstructure et des propriétés mécaniques + normes de qualité strictes → performances fiables dans des applications industrielles exigeantes.