Méthodes d'usinage et technologie de contrôle de l'intégrité de surface pour les alliages de titane aérospatiaux

Analyse des procédés d'usinage des alliages de titane basée sur les caractéristiques d'usinage, les outils, le bridage et les paramètres de coupe, avec une introduction aux techniques de contrôle de l'intégrité de surface

Ingénieur principal Huang Qiang

1. Introduction

Ces dernières années, la demande d'alliages de titane dans l'industrie aéronautique a considérablement augmenté. Les alliages de titane sont largement utilisés dans les gros avions. En tant qu'excellent matériau de fabrication pour les avions et les moteurs, les alliages de titane se caractérisent par une résistance structurelle élevée, un poids léger et une bonne résistance à la corrosion. L'usinabilité des matériaux en alliage de titane entraîne souvent une faible intégrité de surface de la pièce après l'usinage. Ci-dessous, les méthodes d'usinage et les technologies de contrôle de l'intégrité de surface pour les alliages de titane aérospatiaux sont présentées sous les aspects des caractéristiques d'usinage, des outils de coupe, de la sélection du bridage et des paramètres de coupe.

2. Caractéristiques et applications des alliages de titane

Dans l'industrie aéronautique, les alliages de titane sont principalement utilisés pour fabriquer des composants tels que les disques de compresseur de moteur, les aubes de ventilateur creuses, les disques de turbine et les enveloppes, ainsi que des pièces structurelles comme les trains d'atterrissage de gros avions, les sections d'ailes extérieures, les revêtements de fuselage, les portes, les systèmes hydrauliques et les sections arrière du fuselage. Actuellement, la proportion d'utilisation des alliages de titane dans l'industrie aéronautique est passée de 6 % à plus de 15 %. Le Boeing 777 utilise 7 % à 9 % de pièces en alliage de titane ; pour parvenir à une réduction de 20 % de la consommation de carburant, environ 2 milliards de RMB ont été investis dans le développement du Boeing 787 spécifiquement pour la recherche du remplacement des alliages d'aluminium par des alliages de titane dans certaines parties de l'avion, ce qui a entraîné une teneur en alliage de titane de 15 % dans la cellule du Boeing 787. Dans les projets d'avions gros porteurs nationaux, l'utilisation d'alliages de titane est progressivement passée de 4,8 % dans le jet régional ARJ21 à plus de 9 % dans le liner C919.

Les exigences en matière d'allègement structurel et de haute résistance dans le domaine aéronautique rendent de plus en plus dépendant des alliages de titane. En fonction de la résistance et des performances à haute température, les alliages de titane peuvent être classés en alliages de titane α, alliages de titane β, alliages de titane α+β et composés intermétalliques titane-aluminium, parmi lesquels les alliages de titane α+β (comme le Ti6Al4V) sont les plus largement utilisés. Les alliages de titane α ont une bonne soudabilité thermique et une forte résistance à l'oxydation, mais une ténacité moyenne ; les alliages de titane β ont une meilleure forgeabilité, une meilleure formabilité à froid et une capacité de renforcement par traitement thermique ; les alliages de titane α+β possèdent une bonne ténacité, sont soudables et peuvent être renforcés par traitement thermique, et ont une bonne résistance à la fatigue.

La composition matérielle du Ti6Al4V comprend principalement Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu et de petites quantités de N, H, B et Y. Les alliages de titane ont d'excellentes propriétés mécaniques complètes, une faible densité et une bonne résistance à la corrosion. En tant que matériau d'alliage à haute résistance, ils ont été continuellement promus pour une utilisation dans les moteurs d'avion et l'industrie aéronautique. Cependant, les températures élevées et les forces de coupe élevées lors de l'usinage des alliages de titane entraînent un durcissement important de la surface usinée, exacerbant l'usure des outils et entraînant une mauvaise usinabilité. Ces facteurs sont préjudiciables à l'obtention d'une bonne qualité de surface et affectent la durée de vie des composants en alliage de titane et les performances du moteur. Ci-dessous, en utilisant le Ti6Al4V comme sujet de recherche et en combinant l'expérience accumulée dans la pratique de production, les performances de coupe, les méthodes d'usinage et les techniques d'inspection de surface pour les pièces en alliage de titane sont présentées.

3. Méthodes d'usinage des alliages de titane

3.1 Sélection des outils

Les matériaux d'outils pour l'usinage des alliages de titane doivent avoir des caractéristiques telles qu'une bonne ténacité, une dureté à chaud, une dissipation thermique et une résistance à l'usure. De plus, les outils doivent répondre à des exigences telles que des arêtes de coupe vives et une surface lisse. Lors de l'usinage de matériaux en alliage de titane, les outils en carbure avec une bonne conductivité thermique et une résistance élevée sont préférés, avec un petit angle de dépouille et un grand angle de dégagement. Pour éviter l'écaillage et la rupture de la pointe de l'outil, l'arête de coupe à la pointe doit avoir une transition arrondie. L'arête de coupe doit être maintenue tranchante pendant l'usinage pour faciliter l'enlèvement rapide des copeaux et éviter l'adhérence des copeaux.

Lors de l'usinage des alliages de titane, pour éviter les réactions d'affinité entre le substrat/revêtement de l'outil et l'alliage de titane, ce qui accélérerait l'usure de l'outil, les carbures contenant du titane et les outils à revêtement à base de titane sont généralement évités. Des années de pratique de production ont révélé que, bien que les outils en carbure contenant du titane soient sujets à l'adhérence et à l'usure, ils possèdent une excellente capacité de résistance à l'usure par diffusion, en particulier lors de la coupe à grande vitesse, où leurs performances sont nettement meilleures que celles des outils en carbure de type YG.

Les principaux fabricants d'outils mondiaux ont introduit des plaquettes de coupe spécialement conçues pour l'usinage de pièces en alliage de titane. Les améliorations continues des matériaux d'outils et des matériaux de revêtement ont amélioré l'efficacité de coupe des matériaux en alliage de titane et favorisé le développement de l'industrie des alliages de titane. Par exemple, les plaquettes IC20 d'ISCAR, avec des arêtes de coupe vives, conviennent à la finition des pièces en alliage de titane. Ses plaquettes IC907 améliorent efficacement la résistance à l'usure, adaptées à l'ébauche et à la semi-finition. Les CP200 et CP500 de SECO pour l'usinage des alliages de titane sont des matériaux de plaquettes à grains ultrafins et à haute dureté utilisant la technologie de dépôt physique en phase vapeur (PVD). Les WSM30, WSM20 et WAM20 de Walter, utilisant des revêtements TiCN, TiAlN, TiN et Al₂O₃, offrent une forte résistance à la déformation et à l'usure. Les outils et revêtements couramment utilisés pour l'usinage des alliages de titane sont présentés dans le tableau 1.

Selon les statistiques, le secteur de la fabrication aéronautique dépend largement des outils importés, et la dépendance est encore plus forte pour les matériaux difficiles à usiner comme les alliages de titane. Par conséquent, promouvoir le développement et l'application d'outils et de matériaux de revêtement nationaux est un moyen efficace de résoudre fondamentalement le problème de l'usinage des alliages de titane en Chine.

3.2 Usure des outils et solutions

Lors de l'usinage des alliages de titane à des vitesses de coupe élevées et de grandes profondeurs de passe, une usure en cratère (usure en dépouille) se forme sur la face de coupe au point de température de coupe la plus élevée, avec une bande distincte entre le cratère et l'arête de coupe. La largeur et la profondeur du cratère s'étendent progressivement au fur et à mesure de l'usure, réduisant la rigidité de l'arête de coupe, ce qui peut entraîner un écaillage si l'outil continue d'être utilisé. Des micrographies électroniques de l'usure des plaquettes sont présentées à la figure 1.

a) Usure en cratère avec phénomène d'écaillage.    b) Usure en dépouille

c) Arête rapportée

Lors de l'usinage des alliages de titane, le frottement important entre la plaquette et la pièce provoque l'usure sur la face de dégagement près de l'arête de coupe, formant une petite bande d'usure avec un angle de dégagement nul, connu sous le nom d'usure en dépouille. De plus, en raison du durcissement des alliages de titane, l'épaisseur de coupe au niveau du nez de l'outil sur l'arête de coupe mineure diminue progressivement, ce qui fait patiner l'arête de coupe, ce qui entraîne également une usure importante sur la face de dégagement.

Une fois l'usure de l'outil survenue, les paramètres de coupe tels que la vitesse de coupe et la vitesse d'avance peuvent être ajustés en observant la morphologie et la couleur des copeaux, ainsi que la force, le son et les vibrations de la machine-outil, afin de contrôler l'usure anormale de la face de coupe. L'utilisation de géométries de plaquettes à angle de coupe positif, la sélection de matériaux ou de revêtements de plaquettes résistants à l'usure, peuvent améliorer la durée de vie de l'outil.

L'arête rapportée est susceptible de se former lors de l'usinage des alliages de titane. Lorsque l'arête rapportée est stable, elle peut protéger l'outil en agissant comme l'arête de coupe. Cependant, lorsque l'arête rapportée croît jusqu'à une certaine mesure, son sommet s'étend au-delà de l'arête de coupe, augmentant l'angle de coupe réel de travail. L'accumulation et le détachement de l'arête rapportée affectent directement la précision d'usinage. Les fragments d'arête rapportée adhérant à la surface usinée de l'alliage de titane forment des points durs et des bavures, affectant la qualité de surface. La perte et la régénération irrégulières de l'arête rapportée provoquent des fluctuations de la force de coupe, entraînant du broutement et affectant la durée de vie de l'outil. Les méthodes courantes dans la pratique de production pour réduire ou éviter la formation d'arêtes rapportées lors de la coupe des alliages de titane comprennent : l'augmentation de la vitesse de coupe, l'augmentation progressive de la profondeur de passe jusqu'à l'optimum ; l'utilisation de matériaux de plaquettes revêtus par PVD ; l'utilisation de systèmes de refroidissement à haute pression, etc.

Lors des opérations de coupe, en raison de la faible plasticité des alliages de titane, la zone de contact entre le copeau et la face de coupe est faible, et l'usure de l'outil se produit principalement sur la face de coupe de l'outil de tournage. Par conséquent, les plaquettes de coupe doivent être sélectionnées avec un petit angle de coupe, généralement de 0° à 5°. Un petit angle de coupe augmente efficacement la zone de contact entre le copeau et la face de coupe, ce qui permet de dissiper la chaleur concentrée près de l'arête de coupe. La sélection d'un angle de dégagement de 5° à 10° peut réduire le frottement entre l'outil et la pièce. Le choix d'une combinaison de surface de contact en forme de V entre la base de la plaquette et le porte-outil, une conception de structure de serrage robuste, peut améliorer efficacement la rigidité de serrage du porte-outil, éliminer les vibrations de l'outil et améliorer la qualité de surface de la pièce en alliage de titane usinée.

3.3 Sélection du bridage

Lors du positionnement et du serrage des pièces en alliage de titane, l'interaction entre la force de serrage du dispositif et la force de support sur la pièce peut provoquer une déformation de contrainte à l'état libre. La résistance à la force de coupe lors de l'usinage des alliages de titane est importante, de sorte que le système de processus doit avoir une rigidité suffisante. La structure de positionnement et les dimensions de la pièce doivent être analysées, en sélectionnant des points de référence stables et fiables, et en ajoutant des supports auxiliaires ou en utilisant une sur-contrainte si nécessaire pour augmenter la rigidité de la pièce. Étant donné que les alliages de titane sont sujets à la déformation, la force de serrage ne doit pas être excessive ; une clé dynamométrique peut être utilisée si nécessaire pour assurer une force de serrage stable. De plus, lors de l'utilisation de dispositifs pour positionner et serrer des pièces en alliage de titane, assurez-vous d'un bon ajustement entre la surface de positionnement du dispositif et la surface de positionnement de la pièce, et équilibrez la force de serrage du dispositif avec la force de support de la pièce. Pour les surfaces de serrage relativement grandes, une méthode de serrage distribuée doit être utilisée autant que possible pour éviter les déformations causées par une pression concentrée. Les points de serrage des pinces du dispositif doivent être aussi proches que possible de la surface usinée de la pièce pour réduire les vibrations générées lors de la coupe de l'alliage de titane.

L'utilisation de dispositifs, d'outils de mesure ou de divers outillages temporaires contenant du plomb, du zinc, du cuivre, de l'étain, du cadmium ou des métaux à bas point de fusion est strictement interdite pour l'usinage des alliages de titane. L'équipement, les dispositifs et l'outillage utilisés pour l'alliage de titane doivent être maintenus propres et non contaminés. Les pièces en alliage de titane doivent être nettoyées rapidement après l'usinage, et les résidus de plomb, de zinc, de cuivre, d'étain, de cadmium, de métaux à bas point de fusion, etc., ne sont pas autorisés sur les surfaces en alliage de titane. Des conteneurs de transfert spéciaux doivent être utilisés lors du déplacement et de la manipulation de pièces en alliage de titane pour éviter de les mélanger et de les stocker avec des pièces d'autres matériaux. Lors de l'inspection et du nettoyage des surfaces en alliage de titane finement usinées, portez des gants propres pour éviter la contamination par l'huile et les empreintes digitales, ce qui pourrait provoquer une fissuration par corrosion sous contrainte et affecter les performances de service de la pièce en alliage de titane.

3.4 Paramètres de coupe

Les principaux paramètres de coupe pour les alliages de titane sont la vitesse de coupe, la vitesse d'avance et la profondeur de passe, la vitesse de coupe étant le principal facteur affectant son usinabilité. Des tests comparatifs entre la coupe à vitesse de rotation constante et la coupe à vitesse de surface constante des pièces en alliage de titane indiquent que la coupe à vitesse de rotation constante est moins performante que la coupe à vitesse de surface constante. Lorsque la vitesse de coupe vc = 60 m/min, la vitesse d'avance f = 0,127 mm/tr et la profondeur de passe ap = 0,05 à 0,1 mm pour les alliages de titane, une couche durcie est rarement trouvée sur la surface de l'alliage de titane.

Étant donné que la couche durcie apparaît principalement sur la surface de la pièce après la finition, la profondeur de passe pendant la finition ne doit pas être trop importante, sinon elle générera une chaleur de coupe importante. L'accumulation de chaleur de coupe peut provoquer des changements dans la structure métallographique de la surface de l'alliage de titane, générant facilement une couche durcie sur la surface de la pièce. Une profondeur de passe excessivement faible peut provoquer un frottement et une extrusion sur la surface de la pièce, entraînant un durcissement. Par conséquent, lors de l'usinage des pièces en alliage de titane, la profondeur de passe pour la finition doit être supérieure à la taille de l'affûtage de l'outil (préparation des arêtes).

La sélection de la vitesse d'avance pour les alliages de titane doit être modérée. Si la vitesse d'avance est trop faible, l'outil coupe à l'intérieur de la couche durcie pendant l'usinage, ce qui entraîne une usure plus rapide. La vitesse d'avance peut être sélectionnée en fonction des différents rayons de nez d'outil. La finition sélectionne généralement une vitesse d'avance plus faible car une vitesse d'avance élevée augmente les forces de coupe, ce qui fait chauffer l'outil et se plier ou s'écailler. Le tableau 2 montre les paramètres courants pour la coupe des alliages de titane avec différents types et matériaux d'outils.

3.5 Système de refroidissement

L'exigence en matière de fluide de coupe lors de la coupe des alliages de titane est une faible nébulisation. Des outils de refroidissement à haute pression doivent être sélectionnés pour l'usinage des alliages de titane, 配合机床高压泵, la pression de refroidissement peut atteindre (60 à 150) × 10⁵ Pa (environ 60 à 150 bars). L'utilisation d'outils de refroidissement à haute pression pour usiner les alliages de titane peut augmenter la vitesse de coupe de 2 à 3 fois, prolonger la durée de vie de l'outil et améliorer la morphologie des copeaux en alliage de titane. Lors de l'application de fluide de coupe pendant l'usinage des alliages de titane, la force de coupe est réduite de 5 % à 15 % par rapport à la coupe à sec de l'alliage de titane, la force radiale est réduite de 10 % à 15 %, la température de coupe est réduite de 5 % à 10 %, et la morphologie de surface de l'alliage de titane usiné est meilleure avec moins d'adhérence massive, ce qui est propice à l'obtention d'une qualité de surface supérieure.

L'émulsion chimique Trim E206 actuellement utilisée, mélangée à partir de 8 % de concentré et de 92 % d'eau pure, avec une concentration de 7 % à 9 %, obtient de bons résultats d'usinage dans le traitement des matériaux en alliage de titane et peut être utilisée dans les opérations de tournage, de fraisage et de rectification. Trim E206 contient des additifs spéciaux qui contrôlent efficacement la formation d'arêtes rapportées. Le fluide de coupe contient de minuscules molécules émulsionnées, améliorant la stabilité du fluide de coupe et réduisant l'entraînement pendant l'usinage, ce qui facilite l'entrée du fluide de coupe dans la zone de coupe. De plus, Trim E206 a une forte résistance à la contamination par l'huile, et les résidus du fluide de coupe sont facilement solubles dans l'eau et le fluide de travail, ce qui permet de maintenir la propreté de l'équipement et des surfaces des pièces usinées.

4. Intégrité de surface des alliages de titane

4.1 Inspection de la microstructure des pièces forgées en alliage de titane

L'inspection de la microstructure des alliages de titane implique l'examen de la surface d'une pièce en alliage de titane gravée au microscope électronique pour observer les caractéristiques morphologiques, la distribution, etc., de la microstructure du matériau, utilisée pour vérifier si la structure métallographique de l'alliage de titane est conforme aux normes et aux spécifications de dessin pertinentes. Les étapes de l'inspection de la microstructure des pièces forgées en alliage de titane sont les suivantes : usinage brut de la pièce forgée → polissage de surface → gravure de surface → nettoyage → séchage → inspection microscopique. L'inspection microscopique de l'alliage de titane Ti6Al4V est présentée à la figure 2.

a) Polissage de surface      b) Gravure de surface

c) Rinçage à l'eau    d) Examen microscopique

Le but de l'usinage brut de la pièce forgée est d'éliminer complètement la couche α. La surface de l'alliage de titane est polie à l'aide de papier de verre à l'alumine avec des granulométries de 400# à 800#, et la rugosité de surface doit atteindre Ra = 0,025 μm ou des exigences de qualité supérieure. La gravure utilise le réactif de Kroll, préparé sous forme d'une solution aqueuse de 2 % HF, 4 % HNO₃. Une quantité appropriée de réactif de Kroll est appliquée sur la surface polie de l'alliage de titane jusqu'à l'obtention de la structure claire souhaitée, puis rincée à l'eau et séchée. Un microscope électronique portable est utilisé pour inspecter la surface de l'alliage de titane. La structure doit contenir 10 % à 50 % de α primaire. La morphologie microstructurale de l'alliage de titane Ti6Al4V présentée à la figure 3 représente une structure métallographique qualifiée.

a) α primaire dans la matrice transformée en β       b) α discontinu aux joints de grains β

c) α lamellaire dans les grains β

4.2 Inspection par corrosion par anodisation bleue pour les alliages de titane

Lors de l'usinage des alliages de titane, lorsque l'usure en dépouille de l'outil se produit, la résistance aux chocs de l'outil diminue progressivement, entraînant un durcissement de la surface usinée de l'alliage de titane en raison de l'extrusion et de la surchauffe. La méthode de corrosion par anodisation bleue est couramment utilisée pour détecter le durcissement et autres défauts. La surface d'une pièce en alliage de titane après corrosion par anodisation bleue est présentée à la figure 4. Après la dissolution post-traitement de la pièce en alliage de titane anodisée, la couleur d'un film d'oxyde qualifié doit être un bleu clair uniforme (voir figure 4a). Les pièces en alliage de titane durcies, après inspection par corrosion, présentent une surface bleu foncé (voir figure 4b) ou des zones localisées plus foncées (voir figure 4c), avec une répartition inégale de la couleur sur les différentes zones.

a) Bleu clair uniforme      b) Bleu foncé      c) Bleu foncé localisé

Après la corrosion par anodisation bleue, pour les pièces présentant un durcissement, des méthodes telles que l'ajustement du matériau de l'outil de coupe, du revêtement et des angles de coupe pour l'usinage de l'alliage de titane, l'optimisation des trajectoires d'outils et des paramètres de coupe, peuvent être utilisées pour contrôler et éliminer le durcissement.

4.3 Finition de surface des alliages de titane

Pour éliminer les défauts de surface des disques de compresseur, des moyeux, des turbines, des arbres et des entretoises de rotor en alliage de titane, et améliorer la durée de vie des pièces, après avoir terminé toutes les opérations d'usinage mécanique sur la pièce en alliage de titane, une finition de surface manuelle à l'aide d'un disque à lamelles peut être utilisée. La finition au disque à lamelles nécessite l'utilisation d'outils de finition présentés à la figure 5 : un outil pneumatique rotatif (vitesse 18 000 tr/min), un mandrin de polissage et un tissu abrasif à l'alumine ou au carbure de silicium (spécification 10 mm × 20 mm, grain 120#).

a) Outil pneumatique rotatif       b) Mandrin de polissage        c) Tissu abrasif

La finition des rainures internes d'une pièce en alliage de titane est présentée à la figure 6. Pour obtenir de bons résultats de finition, les méthodes suivantes peuvent être utilisées :

1. Pliez le tissu abrasif à l'alumine dans le sens de la longueur et insérez-le fermement dans la fente de serrage à l'extrémité avant du mandrin de polissage. Serrez-le dans le sens opposé au sens de rotation du mandrin. Remplacez-le par un nouveau tissu abrasif après avoir fini chaque zone de surface de la pièce (voir figure 6a).

2. Le tissu abrasif rotatif doit effectuer des mouvements de va-et-vient sur la surface de l'alliage de titane pendant un ou deux cycles, chaque cycle durant 10 à 30 secondes, avec une vitesse de va-et-vient d'environ 1,57 mm/s (voir figure 6b).

3. Lors de la finition de différentes surfaces de la pièce en alliage de titane, changez le tissu abrasif entre les cycles. Pendant la finition manuelle, utilisez une clé d'arrêt appropriée ou un dispositif d'arrêt de profondeur mécanique pour contrôler le passage du tissu abrasif rotatif.a) Installation du tissu abrasif       b) Polissage rotatif

5. Conclusion

L'alliage de titane est un matériau typique difficile à usiner. En raison des forces de coupe élevées, des températures de coupe élevées et de l'usure importante des outils pendant l'usinage, la sélection de matériaux d'outils et de géométries de plaquettes raisonnables est le principal défi de l'usinage des alliages de titane. Les outils en carbure contenant du Ti ont une bonne performance de résistance à l'usure par diffusion. Pendant la coupe, une couche d'adhérence stable en alliage de titane se forme sur la surface de l'outil, ce qui peut inhiber l'usure. Avec le développement d'outils nationaux, l'efficacité d'usinage des alliages de titane s'est progressivement améliorée, ce qui a permis d'économiser des coûts d'usinage et de jouer un rôle positif dans la réalisation de la localisation globale des moteurs. Dans la pratique de production, l'usinage des alliages de titane doit être basé sur les conditions existantes de l'entreprise en matière de technologie, d'équipement, de gestion et de coûts. Des dispositifs de positionnement raisonnables doivent être sélectionnés, et les paramètres de coupe doivent être optimisés à l'aide de la plateforme de données d'information de l'entreprise, en s'éloignant progressivement du concept d'usinage extensif consistant à sélectionner les paramètres uniquement en fonction de l'expérience et de l'analogie.