Etude du procédé de fusion et de purification par bombardement électronique avec four à surverse

Résumé du document

La fabrication de nombreux alliages destinés aux industries de pointe nécessite l'utilisation de procédés complexes pour obtenir des matériaux sans impuretés et avec des caractéristiques intéressantes. Le procédé EBHCR, « Electron Beam Hearth Cold Refining », est un de ceux-ci tout comme le sont le procédé VAR ou ESR. Nous avons comme objectif d'étudier l'utilisation de ce procédé pour une entreprise du secteur aéronautique. Or, celui-ci utilise principalement le procédé EBHCR pour la fabrication du titane qui est utilisé pour de nombreuses parties stratégiques dans un avion.
C'est pourquoi nous commencerons par étudier les caractéristiques du titane, son principe de fabrication et les domaines d'application. Puis nous décrirons ce qui pousse à utiliser un procédé de refusion pour améliorer la pureté du matériau et éliminer les impuretés.
Nous détaillerons ensuite l'installation de purification par bombardement électronique d'un point de vue général en présentant ses avantages et ses inconvénients. Nous continuerons avec la présentation de l'historique du procédé, les différents types de canons à électrons, les différents modes de chargement, le système de vide, les caractéristiques d'une installation industrielle. La compréhension des différents systèmes de fusion par bombardement électronique nous aidera dans le choix du dimensionnement d'une installation pour une entreprise du secteur aéronautique.
Dans un deuxième temps, l'objectif principal d'élimination des inclusions sera approfondi par la mise en évidence des caractéristiques de ces défauts et une présentation des moyens mis en œuvre dans le procédé étudié pour les éliminer.
Nous terminerons par une modélisation de la fusion du lingot qui permet d'obtenir des lois à la fois théoriques et empiriques pour commander l'installation et permettre de contrôler l'élimination totale de toutes les inclusions.

Extraits

[...] Bibliographie Electron Beam Technology, Siegfried Schiller, Ullrich Heisig, Siegfried Panzer, Verlag technik GMBH Berlin, reprint of the first edition 1982 Introduction to Electron Beam Technology, Robert Bakish, John Wiley & Sons, Inc., New York . London Investigation of refining processes during electron beam melting, G Mladenov, V Vassileva, K Vutova, T Nikolov, Laboratory of Electron Beam Technologies, Institute of Electronics, Bulgarian Academy of Sciences, blvd. Tzarigradesko shosse Sofia, Bulgaria Fonderie et moulage du titane et des alliages de titane, Georges Broihanne, techniques de l'ingénieur, traité Matériaux métalliques The electron beam melting and refining of titanium alloys, A. [...]

[...] Tableau 4 : Constantes pour l'expression de la concentration expérimentale Ces valeurs nous permettent de nous rendre compte que le taux d'affinage ne dépend pas que des phénomènes de transport de manière, tels que la diffusion de composés ou des impuretés sur la surface du métal ou encore l'évaporation, mais également d'un grand nombre d'autres paramètres : La réduction et oxydation dans le métal d'origine d'impuretés influençant le transport de molécules vers le vide Le transport de petites inclusions de particules vers la surface, favorisée par leur croissance, suivi de la décomposition des molécules par le bombardement des électrons Dissolution et décomposition des inclusions, accompagnées par une réduction de leur taille due à une meilleure solubilité du métal fondu Réactions chimiques d'oxydation en surface Fabrication en surface de molécules volatiles Conclusion Le système de purification des alliages de titane par bombardement électronique est un appareillage complexe permettant d'obtenir des matériaux aux propriétés élevées comme le souhaite l'industrie aéronautique. Dans le cas de la mise en place de l'installation pour fabriquer des pièces en alliage de titane, nous pouvons toutefois tirer un certain nombre de conclusions. Tout d'abord, un canon axial est préconisé. Le type de chargement dépend de la forme du métal à fondre, soit sous forme de tiges, de boulettes ou de lingot, mais il doit se faire de façon continue. Il peut être horizontal, vertical, ou oblique. [...]

[...] Ce creuset contient un bloc de titane ou d'alliage de titane que l'on bombarde par un faisceau tournant d'électrons de 50 à kW sous un vide poussé de l'ordre de 10- 2 Pa. Dans ces conditions, la partie supérieure du bloc est fondue et est portée à une température comprise entre et 2 000°C. Le creuset n'est cependant en contact qu'avec la partie solide du bloc métallique et ce contact à l'état solide entre le creuset refroidi et le titane ne donne pas lieu à réaction chimique. [...]

[...] Pour la fabrication de l'alliage de titane qui nous intéresse pour son utilisation dans l'aéronautique, nous utilisons un alliage communément appelé TA6V. Cela correspond en fait à du titane contenant d'aluminium qui est un élément alphagène et de vanadium qui est l'élément bêtagène. Sa structure est ainsi du type alpha + bêta. C'est un matériau de haute résistance mécanique à basse et moyenne température, de haute résistance à la corrosion. L'alliage TiAl6V est essentiellement utilisé dans les constructions aéronautiques et spatiales. [...]

[...] Aussi, dans les cas où l'origine remonte à une oxydation à l'oxygène ou à l'azote, nous pouvons observer des défauts contenant un fort niveau d'azote avec un taux presque nul d'oxygène. En fait, il y a une forte interaction entre l'oxygène et l'aluminium présent dans l'alliage de titane, et dans le cas où le produit d'origine contient un fort taux d'oxygène, le défaut final observable peut également contenir une forte concentration en aluminium, dépassant dans certains cas les valeurs obtenues dans le reste de l'alliage. [...]