Que sont les alliages de titane – Définition

Le titane est un métal de transition brillant avec une couleur argentée, une faible densité et une résistance élevée. Le titane est résistant à la corrosion dans l’eau de mer, l’eau régale et le chlore. Dans les centrales électriques, le titane peut être utilisé dans les condenseurs de surface. Le métal est extrait de ses principaux minerais par les procédés Kroll et Hunter. Le procédé de Kroll impliquait la réduction du tétrachlorure de titane (TiCl4), d’abord avec du sodium et du calcium, puis avec du magnésium, sous une atmosphère de gaz inerte. Le titane pur est plus résistant que les aciers ordinaires à faible teneur en carbone, mais 45 % plus léger. Il est également deux fois plus résistant que les alliages d’aluminium faibles, mais seulement 60 % plus lourd. Les deux propriétés les plus utiles du métal sont résistance à la corrosion et rapport résistance/densité, le plus élevé de tous les éléments métalliques. La résistance à la corrosion des alliages de titane à des températures normales est exceptionnellement élevée. La résistance à la corrosion du titane repose sur la formation d’une couche d’oxyde stable et protectrice. Bien que le titane « commercialement pur » ait des propriétés mécaniques acceptables et ait été utilisé pour les implants orthopédiques et dentaires, pour la plupart des applications, le titane est allié avec de petites quantités d’aluminium et de vanadium, généralement 6% et 4% respectivement, en poids. Ce mélange a une solubilité solide qui varie considérablement avec la température, ce qui lui permet de subir un renforcement par précipitation.

Les alliages de titane sont des métaux qui contiennent un mélange de titane et d’autres éléments chimiques. Ces alliages ont une résistance à la traction et une ténacité très élevées (même à des températures extrêmes). Ils sont légers, ont une résistance à la corrosion extraordinaire et la capacité de résister à des températures extrêmes.

Types d’Alliages de Titane

Le titane existe sous deux formes cristallographiques. À température ambiante, le titane non allié (commercialement pur) a une structure cristalline hexagonale compacte (hcp) appelée phase alpha (α). Lorsque la température du titane pur atteint 885 °C (appelée température β transus du titane), la structure cristalline se transforme en une structure bcc connue sous le nom de phase bêta (β). Les éléments d’alliage augmentent ou abaissent la température pour la transformation α en β, de sorte que les éléments d’alliage dans le titane sont classés comme stabilisants α ou stabilisants β. Par exemple, le vanadium, le niobium et le molybdène diminuent la température de transformation α en β et favorisent la formation de la phase β.

• Alliages Alpha. Les alliages alpha contiennent des éléments tels que l’aluminium et l’étain et sont préférés pour les applications à haute température en raison de leurs caractéristiques de fluage supérieures. Ces éléments α-stabilisateurs agissent en inhibant le changement de la température de transformation de phase ou en la faisant augmenter. L’absence de transition ductile à fragile, une caractéristique des alliages β, rend les alliages α adaptés aux applications cryogéniques. D’autre part, ils ne peuvent pas être renforcés par un traitement thermique car l’alpha est la phase stable et ils ne sont donc pas aussi résistants que les alliages bêta.
• Alliages Bêta. Les alliages bêta contiennent des éléments de transition tels que le vanadium, le niobium et le molybdène, qui ont tendance à diminuer la température de la transition de phase α à β. Les alliages bêta ont une excellente trempabilité et répondent facilement au traitement thermique. Ces matériaux sont hautement forgeables et présentent des ténacités à la rupture élevées. Par exemple, la résistance à la traction ultime de l’alliage de titane à haute résistance – TI-10V-2Fe-3Al est d’environ 1200 MPa.
• Alliage Alpha + Bêta. Les alliages alpha + bêta ont des compositions qui supportent un mélange de phases α et β et peuvent contenir entre 10 et 50 % de phase β à température ambiante. L’alliage α + β le plus courant est le Ti-6Al-4V. La résistance de ces alliages peut être améliorée et contrôlée par un traitement thermique. Les exemples incluent: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb.

Nuances de Titane

Le titane pur et ses alliages sont généralement définis par leurs nuances définies par la norme internationale ASTM. En général, il existe près de 40 nuances de titane et de ses alliages. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des alliages de titane et des nuances pures les plus fréquemment rencontrés , leurs propriétés, leurs avantages et leurs applications industrielles.

• Grade 1. Le titane grade 1 commercialement pur est l’alliage de titane le plus ductile et le plus doux. C’est une bonne solution pour le formage à froid et les environnements corrosifs. Il possède la plus grande formabilité, une excellente résistance à la corrosion et une résistance élevée aux chocs. En raison de sa formabilité, il est couramment disponible sous forme de plaque et de tube en titane. Ceux-ci inclus:
  • Traitement chimique
  • Fabrication de chlorate
  • Architecture
  • Industrie médicale
  • Industrie maritime
  • Pièces automobiles
  • Structure de la cellule
• Grade 2. Le titane de grade 2 commercialement pur est très similaire au grade 1, mais il a une résistance plus élevée que le grade 1 et d’excellentes propriétés de formage à froid. Il offre d’excellentes propriétés de soudage et une excellente résistance à l’oxydation et à la corrosion. Cette qualité de titane est la qualité la plus courante de l’industrie du titane commercialement pur. C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications:
  • Aérospatial,
  • Automobile,
  • Traitement chimique et fabrication de chlorate,
  • Dessalement,
  • La production d’énergie.
• Grade 5 – Ti-6Al-4V. Le grade 5 est l’alliage le plus couramment utilisé et il s’agit d’un alliage alpha + bêta. L’alliage de Grade 5 représente 50 % de l’utilisation totale de titane dans le monde. Il a une composition chimique de 6% d’aluminium, 4% de vanadium, 0,25% (maximum) de fer, 0,2% (maximum) d’oxygène et le reste de titane. Généralement, le Ti-6Al-4V est utilisé dans des applications jusqu’à 400 degrés Celsius. Il a une densité d’environ 4420 kg/m³. Il est nettement plus résistant que le titane commercialement pur (grades 1 à 4) en raison de sa possibilité d’être traité thermiquement. Cette nuance est une excellente combinaison de résistance, de résistance à la corrosion, de soudure et de fabricabilité. C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications:
  • Turbines d’avion
  • Composants du moteur
  • Composants structuraux d’aéronefs
  • Attaches aérospatiales
  • Pièces automatiques performantes
  • Applications marines
• Grade 23 – Ti-6Al-4V-ELI. Ti-6Al-4V-ELI ou TAV-ELI est la version de pureté supérieure de Ti-6Al-4V. ELI signifie Extra Low Interstitiel. La différence essentielle entre Ti6Al4V ELI (Grade 23) et Ti6Al4V (Grade 5) est la réduction de la teneur en oxygène à 0,13 % (maximum) dans le Grade 23. La réduction des éléments interstitiels oxygène et fer améliore la ductilité et la résistance à la rupture avec une certaine réduction de la résistance. C’est le premier choix pour tout type de situation où une combinaison de haute résistance, légèreté, bonne résistance à la corrosion et haute ténacité est requise. Cette qualité de titane, qualité médicale du titane, est utilisée dans des applications biomédicales telles que les composants implantables en raison de sa biocompatibilité, de sa bonne résistance à la fatigue et de son faible module.

Application des alliages de Titane – Utilisations

Les deux propriétés les plus utiles du métal sont la résistance à la corrosion et le rapport résistance/densité, le plus élevé de tous les éléments métalliques. La résistance à la corrosion des alliages de titane à des températures normales est exceptionnellement élevée. Ces propriétés déterminent l’application du titane et de ses alliages. La première application de production de titane remonte à 1952, pour les nacelles et les pare-feu de l’avion de ligne Douglas DC-7. Une résistance spécifique élevée, une bonne résistance à la fatigue et une bonne durée de vie au fluage, ainsi qu’une bonne ténacité à la rupture sont des caractéristiques qui font du titane un métal privilégié pour les applications aérospatiales. Les applications aérospatiales, y compris l’utilisation dans les composants structurels (cellule) et les moteurs à réaction, représentent toujours la plus grande part de l’utilisation de l’alliage de titane. Sur le avion supersonique SR-71, le titane a été utilisé pour 85% de la structure. Du fait de sa très grande inertie, le titane trouve de nombreuses applications biomédicales, qui reposent sur son inertie dans le corps humain, c’est-à-dire sa résistance à la corrosion par les fluides corporels.

Titane commercialement pur – Grade 1 dans les condenseurs de vapeur

Dans les centrales nucléaires, le système de condenseur de vapeur principal (MC) est conçu pour condenser et désaérer la vapeur d’échappement de la turbine principale et fournir un dissipateur thermique pour le système de dérivation de la turbine. La vapeur évacuée des turbines BP est condensée en passant sur des tubes contenant de l’eau du système de refroidissement. Ces tubes sont généralement en acier inoxydable, en alliages de cuivre ou en titane selon plusieurs critères de sélection (tels que la conductivité thermique ou la résistance à la corrosion).  Tubes de condenseur en titanesont généralement le meilleur choix technique, mais le titane est un matériau très coûteux et l’utilisation de tubes de condenseur en titane est associée à des coûts initiaux très élevés. Le titane en particulier peut apporter des améliorations majeures telles que des vitesses d’eau plus élevées favorisant de meilleurs coefficients thermiques, une excellente résistance à l’abrasion, à l’érosion et à la corrosion améliorant ainsi la résistance à l’encrassement. Les tubes sont principalement des tubes soudés de la norme ASTM SB 338 grade 1 fabriqués sur une ligne de fabrication continue. Ce titane commercialement pur est le titane le plus doux et a la ductilité la plus élevée. Il présente de bonnes caractéristiques de formage à froid et offre une excellente résistance à la corrosion. Il possède également d’excellentes propriétés de soudage et une résistance élevée aux chocs. Toutes les opérations de fabrication (soudage, recuit, contrôle non destructif) sont entièrement automatisées pour produire des tubes de haute qualité en grande quantité.

Propriétés des alliages de Titane

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un spécialiste des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité des alliages de Titane

La densité d’ un alliage de titane typique est de 4,43 g/cm³ ( Ti-6Al-4V).

La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est mathématiquement définie comme la masse divisée par le volume:

ρ = m / V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

Puisque la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance, il est évident que la densité d’une substance dépend fortement de sa masse atomique et aussi de la densité de numéro atomique (N; atomes/cm³),

• Poids atomique. La masse atomique est portée par le noyau atomique, qui n’occupe qu’environ 10^-12 du volume total de l’atome ou moins, mais il contient toute la charge positive et au moins 99,95 % de la masse totale de l’atome. Il est donc déterminé par le nombre de masse (nombre de protons et de neutrons).
• Densité de nombre atomique. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³), qui est associée aux rayons atomiques, est le nombre d’atomes d’un type donné par unité de volume (V; cm³) du matériau. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³) d’un matériau pur ayant un poids atomique ou moléculaire (M; grammes/mol) et la densité du matériau (⍴; gramme/cm³) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (N_A = 6,022×10²³ atomes ou molécules par mole):
• Structure en cristal. La densité de la substance cristalline est significativement affectée par sa structure cristalline. La structure FCC, avec son parent hexagonal (hcp), a le facteur de tassement le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium.

Propriétés mécaniques des alliages de Titane

Les matériaux sont fréquemment choisis pour diverses applications car ils présentent des combinaisons souhaitables de caractéristiques mécaniques. Pour les applications structurelles, les propriétés des matériaux sont cruciales et les ingénieurs doivent en tenir compte.

Résistance des alliages de Titane

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 340 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1170 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximale qui peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon, température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Limite d’élasticité

La limite d’élasticité du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 300 MPa.

La limite d’élasticité de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1100 MPa.

La limite d’ élasticité est le point sur une courbe contrainte-déformation qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Module de Young

Le module de Young du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 105 GPa.

Le module de Young de l’ alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 114 GPa.

Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction. Jusqu’à une contrainte limite, une caisse pourra retrouver ses dimensions au retrait de la charge. Les contraintes appliquées font que les atomes d’un cristal se déplacent de leur position d’équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité et conservent toujours leur géométrie relative. Lorsque les contraintes sont supprimées, tous les atomes reviennent à leur position d’origine et aucune déformation permanente ne se produit. Selon la loi de Hooke, la contrainte est proportionnelle à la déformation (dans la région élastique), et la pente est le module de Young. Le module de Young est égal à la contrainte longitudinale divisée par la déformation.

Dureté des alliages de Titane

La dureté Rockwell du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 80 HRB.

La dureté Rockwell de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 41 HRC.

Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le  nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.

Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale (cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.

Propriétés thermiques des alliages de titane

Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion des alliages de titane

Le point de fusion du titane commercialement pur – Grade 2 est d’environ 1660 °C.

Le point de fusion de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est d’environ 1660 °C.

En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.

Conductivité thermique des alliages de Titane

La conductivité thermique du titane commercialement pur – Grade 2 est de 16 W/(mK).

La conductivité thermique de l’alliage de titane Ti-6Al-4V – Grade 5 est de 6,7 W/(mK).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

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Voir ci-dessus:
Alliages