Formage du titane

Le titane et ses alliages peuvent être formés à froid ou à chaud au moyen d'équipements standards en utilisant des techniques similaires à celles utilisées pour les aciers inoxydables. Cependant, le titane possède certaines caractéristiques uniques qui affectent la formabilité, et celles doivent être prises en compte lors des opérations de formage du titanium.

La ductilité du titane et de ses alliages à température ambiante est généralement plus faible que celle des métaux de construction courants, notamment des aciers inoxydables. Ceci exige des rayons de cintrage plus généreux et une tolérance moindre pour la formabilité par étirage lors du formage à froid.

Le titane possède un module d'élasticité relativement faible, la moitié de celui de l'acier inoxydable environ. Ceci engendre un retour élastique plus important lors du formage et nécessite une compensation soit pendant le cintrage ou par traitement post-cintrage.

Le titane en contact avec lui même ou avec d'autres métaux montre une plus grande tendance à l'usure adhésive que l'acier inoxydable. Ainsi, un contact par glissement avec les surfaces d'outils lors du formage nécessite l'utilisation de lubrifiants. Les lubrifiants efficaces comprennent généralement de la graisse, une huile lourde et/ou de type cireuse, qui peut contenir du graphite ou des additifs de bisulfure de molybdène pour le formage à froid, et des lubrifiants à film continu (graphite, bisulfure de molybdène) ou un revêtement vitreux pour le formage à haute température.

Voici quelques informations de base sur le formage du titane. Il existe un grand nombre de publications sur les pratiques du formage du titane dans les procédés commerciaux de formage courants. Il est fortement conseillé au lecteur de consulter les références au verso de cette brochure et d'autres sources de qualité avant d'entamer une opération de formage du titane pour la première fois.

Préparation de la surface

Avant le formage d'une feuille de titane, il faut qu'elle soit propre et sans défauts de surface tels que des entailles, des rayures ou des traces de meulage. Toutes les écorchures plus profondes que la finition réalisée par la toile émeri de 180 doivent être éliminées par sablage. Afin d'éviter une fêlure des bords, les bordures tranchantes et avec des barbes doivent être arrondies. Les oxydes de surface risquent de provoquer des fissures durant le formage à froid et doivent être éliminées par des moyens mécaniques ou chimiques.

Les produits plats ne doivent pas comporter des pointes de contrainte flagrantes, de finitions de surface irrégulières ou très grossières, ou de dépôt d'oxyde visible et de couche d'alpha case (couches riches en oxygène absorbé) afin d'obtenir une formabilité raisonnable à froid ou à chaud. L'expérience a montré qu'un produit plat nettoyé chimiquement présente souvent une formabilité améliorée (exemple : cintrage à la plieuse et emboutissage) comparé à une plaque nettoyé par sablage et/ou par meulage de la surface.

Formage à froid contre formage à chaud

Le titane commercial pur, le titane alpha faiblement allié, ductile, et les alliages de titane bêta non vieilli peuvent être formés à froid jusqu'à un certain point. Le degré de formage à froid en cintrage ou en étirage est fonction de l'allongement à la rupture du matériau. L'allongement à la rupture et les données de cintrage des différentes qualités de feuilles et de plaques de titane sont données par la norme ASTM B265.

Le chauffage du titane fait augmenter sa formabilité, réduit le retour élastique, et permet une déformation maximale avec un recuit minimal entre les opérations de formage. Le formage à température modérée de la plupart des qualités de titane est effectué à 204-316 °C (400-600 °F) tandis qu'un formage plus difficile est réalisé à 482-788 °C (900-1450 °F). Des matrices de formage chauffées ou des appareils de chauffage à rayonnement sont parfois utilisés pour un formage à faible température tandis que des fours électriques sous air sont plus appropriés pour chauffer à des températures plus élevées. Les fours à gaz peuvent convenir si le contact avec la flamme est évité et si l'atmosphère est légèrement oxydante.

Tout formage à chaud et/ou recuit des produits de titane sous air à une température supérieure à 590-620 °C (1100-1150 °F) environ crée un dépôt d'oxyde visible à la surface et une couche riche en oxygène absorbé (alpha case) qui nécessitent d'être éliminés sur les pièces dont la résistance à la fatigue et/ou à la rupture est essentielle. L'élimination du dépôt d'oxyde peut être effectuée mécaniquement (c.-à.-d, sablage ou meulage) ou par un traitement chimique (c.-à.-d, une solution de sels alcalins liquéfiés chaude). Cette étape est généralement suivie d'un décapage dans une solution acide HF-HNO₃, d'un usinage ou d'un meulage pour garantir l'élimination de l'alpha case là où c'est nécessaire. Ces solutions acides de décapage sont généralement maintenues dans rapport de volume de 5:1 à 10:1 en % HNO₃ au HF (comme acides courants) pour minimiser la capture de l'hydrogène en fonction du type d'alliage.

Traitement de détente et calibrage à chaud

Les opérations de formage à froid et de redressage créent des contraintes résiduelles dans le titane qui parfois nécessitent l'élimination pour des raisons de stabilité dimensionnelle et de rétablissement des propriétés.

Un traitement de détente peut servir aussi comme traitement thermique intermédiaire entre les étapes du formage à froid. Pour les alliages du titane, les températures utilisées se situent au dessous des plages du recuit. Elles sont généralement comprises entre 482 et 649 °C (900 et 1200 °F) avec des durées de 30 à 60 minutes en fonction de la configuration de la pièce travaillée et du niveau de réduction des tensions désiré.

Le calibrage à chaud est souvent utilisé pour la correction du retour élastique et des imperfections de forme et de dimension des pièces préformées. La pièce est maintenue convenablement à l'aide d'un dispositif de sorte qu'une pression contrôlée est appliquée à certaines zones de la pièce pendant le chauffage. L'ensemble pièce/dispositif de maintien est placé dans le four et est chauffé à des températures et pendant des durées suffisantes pour laisser le métal prendre la forme désirée. Le formage par fluage est utilisé de différente manière pour le titane, souvent en combinaison avec le formage par compression en utilisant des matrices chauffées.

Les opérations typiques de formages

Les descriptions ci-après concernent quelques opérations typiques de formage effectuées sur le titane. Elles sont représentatives des opérations dans lesquelles ont lieu le pliage et l'étirage du titane. Le formage peut être effectué à froid, à température modérée ou à chaud. Le choix est déterminé par plusieurs facteurs parmi lesquels l'épaisseur transversale de la pièce travaillée, le degré prévu de pliage et d'étirage, la vitesse de formage (vitesse de déformation du métal), et le type d'alliage/de produit.

Formage par pliage

Au cours de cette opération, le pliage sert à former des cornières, des profilés en z, des profilés en u et des profilés circulaires, y compris les tubes. L'outillage consiste en matrices non chauffées ou en matrices chauffées femelle et mâles.

Formage par étirage

Le formage par étirage a été principalement utilisé sur les feuilles de titane pour le formage des cornières avec arrondi, des profilés bombés, des profilés en z et en u, et pour le formage de profilés spéciaux. Ce type de formage est réalisé en maintenant la feuille brute dans des mâchoires moletées, en exerçant une charge jusqu'à ce que la déformation plastique commence, puis en enroulant la pièce autour d'une matrice mâle. Le formage par étirage peut être effectué à froid en utilisant un outillage peu onéreux ou, plus souvent, il est effectué à température modéré en utilisant un outillage chauffé pour préchauffer la feuille brute.

Repoussage et fluotournage

Ces procédés à température basse, moyenne ou élévée donnent une forme creuse sans soudure à la feuille ou à la plaque de titane (exemple: cylindres, cônes, hémisphère) en exerçant une pression sur une pièce en rotation. Le repoussage ne provoque que peu de changement de dans la feuille, tandis que le fluotournage implique une déformation plastique importante et un amincissement des parois.

Formage superplastique (FSP)

Le FSP du titane est couramment utilisé dans la fabrication des pièces pour aéronefs, car il permet la production de composants de configuration de formes complexes à structure équilibrée, légères et économiques. Ce procédé de formage à haute température (généralement 870-925 °C (1660-1700 °F)) est souvent réalisé simultanément avec soudage par diffusion (liaison par diffusion) dans des chambres pressurisées à l'argon, éliminant le besoin de soudage, de brasage, de calibrage ou de traitement de détente sur les pièces complexes. Parmi les alliages de titane en feuille qui sont généralement formés par formage superplastique, on trouve les alliages alpha-beta Ti-6Al-4V et Ti SP-700.

Autres procédés de formage

Les produits en feuille et plaques de titane sont souvent formés à froid, à faible température ou à chaud sur des presses à marteau libre ou à marteau-pilon pneumatique impliquant une déformation progressive avec des frappes répétées dans des matrices adaptées. Le formage par marteau pilon est plus adapté aux alliages moins sensibles aux fort taux de déformation de titane alpha et pauvre en alpha-bêta. Le forgeage en matrice fermée à chaud et même sur presse isotherme est couramment utilisé pour produire des composants semi-finis à partir des alliages de titane. Les opérations de formage avec noyau emprisonné à froid ou à faible température (max. 540 °C (1000 °F)) des feuilles de titane peuvent être moins chères que celles utilisant un outillage classique de "matrice rigide" mâle/femelle. Même le formage par explosion a été utilisé avec succès pour obtenir des pièces à forme complexe en feuille/plaque d'alliage de titane.

Les alliages de titane de plus faible résistance, plus ductiles, peuvent être profilés à froid pour obtenir de grandes longueurs de produits formés, notamment des tubes soudés et des tuyaux. Les tubes sans et avec soudure peuvent être cintrés à froid sur des cintreuses à mandrins classiques. Les tuyaux de titane non allié soudés en continu peuvent aussi être cintrés à froid ou à faible température sur des machines standards à l'aide de mandrins internes pour minimiser le flambage, tandis que les tubes sans soudure en alliage à résistance plus élevée peuvent être cintrés avec succès par étapes par cintrage par induction à chaud.

Emboutissage profond

C'est un procédé provoquant le pliage et l'étirage du titane et dans lequel des pièces encastrées en profondeur, souvent des pièces cylindriques fermées ou des formes bombées évasées, sont réalisées en tirant la feuille selon un rayon dans une matrice. Lors de cette opération, le flambage et le déchirement élastique sont à éviter. Il est donc nécessaire de prendre en compte les limites d'élasticité à la tension et à la compression du titane lors de l'étude de la pièce et de l'outillage. La feuille brute est souvent préchauffée de même que l'outillage.

Les qualités de titane non allié les plus tendres et les plus ductiles sont souvent pressées à froid ou estampées en forme de bande pour fabriquer des plaques d'échange de chaleur, des anodes et d'autres pièces complexes pour une utilisation industrielle.