par Dominique Dubois: dubois.dominique@gmail.com
Clichés Association Titane

L’Association Titane est animée par un comité fort actif à la CCI de Nantes et ses conférences de haut niveau déplacent des spécialistes du monde entier. Les dernières journées des 20 et 21 mai dernier ont été l’occasion de faire le point à la fois sur l’aspect macro-économique du marché mondial de ce matériau stratégique et aussi sur les technologies de production et de mise en œuvre. Après notre premier article, paru dans l’édition N°119 de Juin-Juillet, résumant l’état du marché actuel et les tendances pour les années à venir, le présent passe en revue les techniques et procédés de fabrication de polissage et de soudage les plus en pointe. Il n’est pas exagéré d’affirmer que tout ce qui a trait au titane est en plein bouleversement actuellement avec des retombées économiques spectaculaires à prévoir. Nous reviendrons bientôt sur les traitements tribologiques ainsi que le formage.


De nouvelles techniques débouchent sur des applications industrielles
- Le soudage du titane, état des lieux
Le titane conduit mal la chaleur et pose des problèmes pour le souder. Il ne doit pas être contaminé par l’air en refroidissant et une grande propreté est requise pour les pièces “aviation. Actuellement, en optimisant les paramètres et les matériels, il est possible de souder 15 mm en une seule passe. Selon le Pr Marya, véritable encyclopédie en la matière, le titane est un matériau accessible en termes de coût à l’achat mais dont la mise en œuvre est souvent trop chère. il convient donc de baisser ces coûts et les opérations de soudage sont bien parmi les plus dispendieuses.

Une trentaine de procédés sont disponibles avec des succès inégaux mais, dans beaucoup de cas, ce sont les opérations de finition ou de reprise après soudage qui coûtent le plus. La vitesse de soudage reste faible et les épaisseurs sont encore limitées tandis que beaucoup d’applications sont encore difficilement automatisables du fait de process peu stables. Le procédé TIG est surtout employé dans les faibles épaisseurs - inférieures à 3 mm - avec des résultats variables selon les variantes et le type de titane utilisé. Les déformations sont nombreuses ainsi que les modifications cristallographiques. Autre procédé remarquable, le soudage par friction à l’outil (STIR WELDING). Une sorte de mandrin fileté en rotation appuie très fortement sur les pièces à souder et le bout fileté malaxe la matière rendue pâteuse tout en se déplaçant le long de la forme à souder. Les pièces restent fixes et ce soudage efficace et fiable convient très bien aux tôles planes même de forte épaisseur. Le FSW donne de bons résultats dans les aluminiums, notamment dans l’industrie spatiale.

Nous passerons sur le Thermal Stir Welding avec un chauffage par induction qui se passe d’outil, ainsi que sur le Welding Hybrid Structur, notamment développé pour l’industrie navale avec une peau en titane posée sur un squelette en aluminium. Il y a aussi le Friction Stir Spot Welding qui est un soudage point à point de tôles automobiles avec un poinçon, sorte de fluopercage. MAZDA annonce une réduction de consommation d’énergie pour souder la caisse de sa RX5 de 85%.

Etudié à l’École Centrale de Nantes ainsi qu’à Tokyo, le soudage/formage par impulsions magnétiques est un cas à part. Il s’agit en fait d’inductions pulsées très courtes, presque “explosives”. Il y a deux champs distincts en opposition. Au Japon, où les bobines sont abordables, le procédé rencontre un certain succès pour l’assemblage de titane sur aluminium, notamment en tubage. les résultats sur surfaces planes n’ont rien d’évident.


- Le soudage par friction linéaire
Avec le Linear Friction Welding (LFW) présenté par ACB, il devient possible de souder de fortes épaisseurs de titane, sans avoir une croissance exagérée des grains, ni en injectant trop d’énergie. Le soudage par friction est le plus sûr pour les applications “épaisses” car il y une véritable fusion des surfaces sans aucun métal d’apport ni contamination aérienne.

Fig. 1 - Le soudage par friction de pied d’aube est une application industrielle en service, notamment chez Rolls-Royce. Aprés le soudage par rapprochement et friction, il faut éliminer le flash, bavure qui contient tous les oxydes puis finir d’usiner le pied d’aube.

Il “suffit” de prévoir sur les pièces à souder une sur-épaisseur consommable de 2 mm environ, d’appuyer fortement, une centaine de Mpa, et de mettre en vibration lente, 15Hz par exemple pour du titane. Un violent échauffement se produit alors, la matière devient pâteuse et plastique puis les deux surfaces se mélangent avec une soudure invisible après refroidissement. Les machines utilisées sont, bien sûr, spécifiques mais la valeur ajoutée des applications les justifient amplement. Par exemple, le soudage direct des aubes sur un rotor permet de gagner 30% en poids avec un meilleur assemblage. Il suffit ensuite d’usiner la sur-épaisseur du pied. La pose de renforts sur un profilé simplement extrudé permet d’obtenir facilement un couple et d’éviter avec élégance de passer par l’usinage d’un gros bloc de matière dont 98% iront à la refonte, sans parler du gain de temps. La température atteint 1000°C au moment du forgeage, donc domaine alpha/béta, mais aucun feu de titane n’est à craindre. Aprés le soudage, un dé
tensionnement à 700°C est toutefois recommandé.

Fig. 1 bis - Voici la machine utilisée pour ce type de soudage dit Chordal. Il y a d’autre types de mouvements possibles. Le process est ici automatisé pour un rotor complet en titane.

Le procédé est rapide, pas de fumées ou de risques de projections, juste une grosse bavure, le flash, à éliminer qui rassemble les oxydes produits. Il est possible de souder différentes sections mais aussi différents matériaux entre eux et le process est aisément automatisable car offrant une excellente répétabilité. Une machine d’essais est prévue à Nantes en 2009 de capacité 300 x 300 mm. Un chauffage électrique sera testé à la place des oscillations ainsi qu’une étude sur la forme des lèvres en contact.


- Le laser Roll welding LRW ou soudage par laser et roulage
Développé par l’université de Nagoya, cette méthode donne des cordons de soudure très propres et avec une excellente interface cristallographique dans la zone de jonction, même avec des métaux différents. Il se produit un soudo-brasage très résistant avec de nombreux cristaux fracturés.

Fig. 2 - Le LRW est ici bien illustré. Noter que la feuille de titane recouvre légèrement celle d’aluminium sans la toucher cependant avant le passage du laser et du rouleau.


- Des fils de titane pour le soudage MIG/MAG
Le G coat wire développé par la firme japonaise DAIDO constitue une belle avancée pour ce type de fourniture de soudage. La stabilité de l’arc et l’amorce sont remarquables, tandis que la vitesse de dépôt est notablement accrue. Les propriétés mécaniques du cordon de soudure sont équivalentes à celles du métal de base. A titre d’exemple, avec du fil de 1 mm, la résistance de la soudure passe de 380 à 670 Mpa avec un meilleur aspect de surface. Les paramètres pour du Ti 6Al 4V en 1 mm sont 200A pour 23 V et 45 cm/mn d’avance. La productivité est augmentée d’un facteur 5 en moyenne pour un coût de 30% supérieur. En outre, l’opération de recuit (annealing) des pièces soudées n’est plus nécessaire.




Fig. 3 - Pour obtenir ce profilé aéronautique, il suffit de partir d’une barre droite, de la cintrer et de souder par friction les renforts souhaités puis, enfin, d’usiner les flancs. Le gain de temps, d’énergie consommée et de matière est considérable par rapport à un travail dans la masse.



Méthodes de polissage alternatives
- Le polissage laser
Le Dr Wissenbach du Fraunhofer d’Aachen, exposait les nombreux avantages du polissage laser de surfaces variées dont celles des titanes. Les résultats sont rapides et l’effet polimiroir y compris sur des matières plastiques comme les polycarbonates. Cette méthode s’applique bien sur les surfaces accessibles gauches ou planes tandis que la méthode suivante est plus indiquée pour les formes fermées, complexes ou comportant de nombreux détails. Le polissage mécanique classique traite 1 cm2 de titane en 30 minutes. Avec un laser de 400W à fibre au NdYag ou CO2, on passe à 3 s au cm2 avec un Ra de 0,5 µm voire 0,1 en ralentissant la cadence.

Au lieu de raboter la surface avec des lasers puissants en décollant une quantité de matière non négligeable, le passage du faisceau laser met ici en fusion les bosses et crêtes qui vont se solidifier dans les creux de la surface traitée. L’application de l’énergie se fait par pulsations et il y a un macro-polissage prévu pour les surfaces importantes et un micro-polissage pour les pièces plus petites. Ce qui n’empêche nullement de compléter un macro-polissage par un micro lorsqu’un état de surface miroir est souhaité. La difficulté est d’éviter des stries de solidification ou l’apparition de grains apparents de martensite. Il est possible de jouer sur la longueur d’onde et l’amplitude mais le procédé reste peu adapté aux cuivres et aux aluminiums, dont la conductivité thermique est élevée. La FAO utilisée au Fraunhofer est Catia V5 avec un post processeur maison et la source laser est montée sur un centre d’usinage HERMLE. fonctionnant en cinq axes + 3 de la tête laser. Ce type de polissage pouvant parfaitement se concevoir au sein d’un centre d’usinage ou de tournage. Il y a bien un effet de couche limite comme avec l’électro-érosion mais les effets en sont très limités. Notons que les homologations aéronautiques attendent les résultats de la tenue en fatigue des pièces ainsi traités. L’École Centrale de Nantes travaille sur ce procédé appliqué aux moulistes. Ne pas oublier que le polissage de titane ne peut se faire que sous atmosphère neutre pour éviter une contamination d’oxydes.

Par exemple dans du titane, un macro-polissage donnera un Ra de 0,5 µm pour 10 s/cm2. Un micro-polissage descendra jusque 0,1 µm et 30 s/cm2.

Fig. 4 - Le FSW est un procédé spectaculaire qui utilise un mandrin fileté pour malaxer la matière rendue pâteuse par friction et assurer un mélange intime sur la ligne de soudure avant refroidissement.

- Le polissage plasma électrolytique
Le polissage par électrolyse existe depuis longtemps mais présente l’inconvénient d’être peu efficace sur les bavures et fortes rugosités et, surtout, d’être long. La méthode électro-chimique utilise des bains dangereux pour les opérateurs et pour l’environnement et son coût est élevé. De plus, les résultats obtenus sont moins bons qu’avec la méthode par plasma électrolytique commercialisée et mise au point par l’institut BECKMANN à Oelsnitz en Allemagne.

Pour simplifier, Il s’agit en fait de mettre la pièce en anode et d’utiliser un courant important. Il va se produire dans une zone très localisée autour de la pièce à polir/ébavurer une forte élévation de température créant une zone de vapeur bordée par un véritable plasma ionisé qui va s’attaquer aux crêtes, pics et bavures de la surface de l’anode. Le temps de cycle est bref (de 1 à 10 minutes) avec des résultats encore inespérés sur les non ferreux et autres titanes notamment.




Fig. 5 - Ce papillon a été obtenu par frittage laser direct de poudre de titane. Au centre, l’échauffement est fort dans le bain électrolytique et un plasma se forme autour du solide qui écrête tous les défauts. A droite le papillon poli.

L’électrolyte est peu concentré et biodégradable, il n’y a pas d’effet thermique sur la surface, seules les micro-structures sont affectées avec une chute du Ra et une brillance flatteuse. Les fontes, cuivres et aluminiums sont tout aussi concernés que les laitons et les bronzes mais c’est pour le titane que les résultats sont les plus appréciés surtout dans les pièces complexes ou à tolérances serrées.





Fig. 6 - Sur ce cliché, on voit bien, à droite, l’aspect des micro-trous percés par impact laser et les effets d’un ébavurage par plasma électrolytique.

Les applications sont nombreuses en bijouteries, bio-médical, aéronautique sans compter l’industrie navale qui étudie de près la remarquable résistance à la corrosion, notamment par contact, des pièces polies par ce procédé. Un polissage électro-chimique donnera au mieux un Ra de 0,1 µm pour 30 microns retirés tandis que la méthode par plasma obtient un Ra de 0,03 µm pour seulement 2,5 microns enlevés. Par exemple, pour du titane pur fraisé, dans un bain à 90°C pendant 10 minutes, la rugosité décroît de 85% avec un Ra de 0,15µm.

 
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