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Le nouveau procédé HPWF a été utilisé pour former cette pièce aérospatiale à partir de Ti6Al4V à 520 degrés F (270 degrés C) et à 20 000 PSI (1 400 bar).

Les données du marché indiquent une croissance significative de l'utilisation du titane dans les nouveaux avions. Les volumes devraient tripler en cinq ans (voir encadré La croissance mondiale de l'aérospatiale propulse la trajectoire d'expansion du titane).

Un nouveau moyen plus rapide et plus efficace de former du titane de qualité aérospatiale est nécessaire.

Il y a de bonnes raisons à l'augmentation de l'utilisation du titane dans la construction aéronautique. Les alliages de titane sont légers, possèdent une extraordinaire résistance à la corrosion et peuvent résister à des températures extrêmes. Cependant, le coût élevé des matières premières et les méthodes de formage actuelles ont limité l'utilisation commerciale des alliages de titane à des applications étroitement spécialisées dans les avions, les engins spatiaux, les turbines, les dispositifs médicaux et d'autres composants fortement sollicités.

Les grades de titane 1 à 4, également appelés purs commerciaux, sont formables à température ambiante. Cependant, le grade 5, titane/6 % d'aluminium/4 % de vanadium (Ti6Al4V), est le grade le plus souvent préféré dans les conceptions d'avions. Actuellement, Ti6Al4V nécessite des méthodes de fabrication telles que des processus de fraisage ou de formage à chaud, qui sont menées à des températures de 1 300 à 1 650 degrés F (700 à 900 degrés C).

L'inconvénient inhérent à chacune de ces méthodes est son coût élevé. Le taux de rebut élevé (50 à 70 %) dans le broyage, combiné au prix élevé du titane lui-même, a fortement limité son utilisation généralisée. De même, les processus de formage à chaud peuvent prendre du temps et nécessiter un outillage coûteux. Par conséquent, l'adoption du titane par l'industrie aérospatiale a été plus lente que prévu, empêchant les fabricants de réaliser pleinement ses avantages.

Une technologie nouvellement introduite, le formage à chaud à haute pression (HPWF), a été développée pour former des feuilles de titane de qualité aérospatiale à des températures inférieures au formage à chaud, à l'estampage à chaud et au formage superplastique.

La technologie de pressage de cellules fluides à haute pression est utilisée commercialement pour fabriquer des composants aérospatiaux depuis des décennies dans le monde entier. Les progrès de la capacité de pression, combinés à la conception d'outils modernisés, ont permis à l'industrie de la cellule de suivre le rythme de la demande croissante en utilisant ce procédé de formage à froid. La pression accrue a permis de façonner les pièces dans leur forme finale, éliminant à la fois la dépendance à la correction manuelle et le besoin de traitements thermiques intermédiaires.

Conformément à l'amélioration continue, le processus de cellule de fluide à haute pression a maintenant encore progressé en appliquant le processus à haute pression à des températures élevées. Cette combinaison de haute pression et de chaleur augmente la vitesse de formage, diminue les coûts et améliore la précision de formage du Ti6Al4V.

Cette nouvelle approche introduit un système de chauffage par induction pour chauffer l'ébauche et l'ensemble d'outils à environ 520 degrés F (270 degrés C) juste avant qu'ils n'entrent dans la presse. Les températures HPWF requises sont nettement inférieures à la plage requise pour le formage à chaud. Fonctionnant à une pression de 20 000 livres par pouce carré (PSI) ou 140 mégapascals (MPa), la presse à cellule fluide est équipée de fonctions de mesure, de contrôle et de traçabilité pour répondre aux paramètres critiques du processus HPWF.

Une analyse tierce des pièces produites avec le procédé HPWF indique que les paramètres de formage sont dans les tolérances requises.

Figure 1 Une analyse de retour élastique des pièces formées dans Ti6Al4V, t = 2,0 mm, a montré une diminution avec HPWF. Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Advanced Forming Research Centre, Glasgow, Écosse.

Des études réalisées par l'Advanced Forming Research Center (AFRC) de l'Université de Strathclyde à Glasgow, en Écosse, fin 2017 et début 2018 confirment que les pièces qui ont subi HPWF ont un écart de retour élastique postformage inférieur à 0,5 millimètre (voir Figure 1). Il convient de noter que la flexibilité du processus permet un contrôle du retour élastique dans la conception de la matrice, de sorte que la compensation du retour élastique du matériau peut être incorporée dans le processus. Cela rend les pièces de forme finale comme résultat direct. Le degré constant de retour élastique est lié à la forme de la pièce, à l'épaisseur du matériau et aux paramètres de processus suivis. Le niveau de pression utilisé semble avoir un impact essentiel.

Le processus HPWF peut inaugurer certains avantages de réduction des coûts.

Le gaz de protection peut être éliminé dans le procédé HPWF en raison de la température relativement basse requise. Pour les alliages de titane exposés à des températures supérieures à 800 degrés F (425 degrés C), l'alliage s'oxyde généralement et forme une couche dure et cassante enrichie en oxygène, appelée le cas alpha. Pour empêcher la création du boîtier alpha dur et cassant, la fabrication de formage à chaud et de formage superplastique nécessite une atmosphère de procédé sans oxygène pour empêcher l'absorption d'oxygène ou d'azote. Étant donné que HPWF fonctionne en dessous de la limite de température du boîtier alpha, le procédé n'a pas besoin de gaz de protection.

Le temps requis pour le nettoyage des pièces après HPWF peut également être réduit. Le besoin d'entretien des outils et des matrices est également réduit en raison de l'absence de placage sur les ébauches en titane aux températures de traitement relativement basses.

Enfin, la consommation d'énergie est considérablement réduite par rapport aux méthodes traditionnelles de formage à chaud.

Les temps de traitement de formage à chaud actuels sont généralement mesurés en heures. La longue durée nécessaire pour terminer le formage à chaud limite considérablement la capacité de fabrication. Le processus HPWF, en revanche, peut produire des pièces en quelques minutes.

De plus, la technologie de pressage à cellule fluide, avec son diaphragme en caoutchouc flexible, permet la fabrication de plusieurs pièces dans la même opération de formage, réduisant l'étape de formage par pièce à quelques secondes. Ces efficacités donnent à un système HPWF la capacité théorique de produire jusqu'à 140 000 pièces par an en deux équipes.

Le HPWF s'est avéré efficace dans la fabrication de pièces à double courbure relativement peu profondes, ce qui le rend bien adapté à un certain nombre de composants typiques de la cellule et du moteur à réaction (voir la figure 2).

Avant que les fabricants puissent comprendre le fonctionnement de HPWF, il est important qu'ils sachent comment fonctionne la technologie de pressage de cellules fluides à haute pression.

Les pièces de tôlerie complexes sont formées sur une seule moitié d'outil définissant la forme, semblable à une matrice inférieure (voir Figure 3). Un diaphragme en caoutchouc flexible remplace la moitié supérieure de la matrice. Une pression hydraulique élevée est appliquée au diaphragme par le haut.

Figure 2 Le processus HPWF est bien adapté pour former des formes peu profondes telles que des cadres en forme de C avec des brides extensibles et rétractables ; angles avec les deux ailes courbées ; petits angles incurvés à courbure simple ; parties tordues ou irrégulières ; et panneaux à rebords, de formes circulaires ou irrégulières.

La membrane en caoutchouc flexible forme des pièces sans rayures avec des formes complexes, y compris des contre-dépouilles, avec différentes épaisseurs de tôle dans tous les matériaux. Des pressions de formage uniformes élevées et ultra élevées garantissent des pièces de haute qualité avec des tolérances étroites directement à partir de la presse. Les faibles coûts d'outillage et les délais d'exécution courts rendent la technologie idéale pour la production à faible volume de pièces en tôle pour une gamme d'applications.

Lorsqu'il est combiné avec le chauffage, ce processus est maintenant également viable pour Ti6Al4V.

La technologie des presses à cellules fluides permet de former plusieurs pièces dans la même opération de formage. Un diaphragme en caoutchouc agit comme une matrice supérieure flexible sur laquelle une pression de fluide hydraulique est appliquée.

Le processus HPWF présente des similitudes avec l'estampage à chaud en ce sens qu'il est effectué par étapes et que le formage est exécuté lorsque la température du métal est élevée pour réduire le retour élastique (voir la figure 4).

Les références

Matthew J. Donachie Jr., Processus de traitement thermique, juin/juillet 2001.

Matthew J. Donachie Jr., éd., « Heat Treating », chapitre 8, Titanium : A Technical Guide, 2e édition, ASM International, 2000.

R. Gaddam et al., 2013 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 48 012002.

Olivier Jarrault, Alcoa Inc., American Metal Market, Section spéciale sur le titane, octobre 2015.

Sture Olsson dirige le développement commercial, formage des métaux pour Quintus Technologies, [email protected], 46-705-327-241, www.quintustechnologies.com.

Les principaux constructeurs d'avions prévoient que la demande de plus de 30 000 nouveaux avions de passagers et de fret se produira au cours des 20 prochaines années. Cette projection est motivée non seulement par l'augmentation constante des volumes de trafic, mais également par la nécessité de remplacer la flotte existante par des modèles plus économes en carburant pour avoir un impact environnemental plus léger.

Atteindre les nouveaux objectifs de livraison et de réduction de la consommation de carburant nécessite la production de moteurs plus efficaces et une aérodynamique améliorée. La réduction de poids est un facteur clé de la réussite de ces progrès, suscitant la recherche de matériaux plus légers qu'auparavant et de nouvelles conceptions. En conséquence, de nouveaux matériaux composites émergent pour défier le choix traditionnel de l'aluminium pour la conception et la construction de la cellule. Le passage aux composites aura un impact significatif sur le rôle du titane avec sa légèreté, sa grande résistance et sa résistance à la corrosion qui en font une alternative intéressante aux alliages d'aluminium.

La préférence croissante pour le titane dans le secteur aérospatial a été clairement documentée. En 2015, l'industrie représentait 45 à 60 % de la consommation mondiale de titane. Par rapport aux taux passés, le Boeing 787, mis en service en 2009, utilise 5,3 fois plus de titane que le Boeing 767, mis en service 27 ans auparavant. L'Airbus 350, qui entre en service cette année, consomme 4,5 fois plus que l'A330, qui a volé pour la première fois en 1992.

La différence représente une augmentation d'environ 15 tonnes de titane dans les avions plus anciens à 100 tonnes de titane dans les nouveaux modèles d'avions.