Le titane et ses alliages : Tout ce qu'il faut savoir

1. Source de titane

Le titane a été découvert pour la première fois en 1791 par un minéralogiste amateur du nom de Gregor, originaire du Royaume-Uni. En 1795, un chimiste allemand nommé Klaproth a donné à cette substance métallique inconnue le nom des dieux grecs, les Titans, ce qui se traduit par "Titanium" en anglais.

Le titane est abondant sur Terre, avec plus de 140 types de minéraux de titane connus. Cependant, les principales applications industrielles proviennent de l'ilménite et du rutile. La Chine détient 28% des réserves mondiales d'ilménite, ce qui la place au premier rang mondial.

Le titane, élément non toxique universellement reconnu, est cher en raison de ses coûts d'extraction et de production élevés. Grâce à sa capacité à supporter des températures élevées et basses, à résister aux acides et aux bases fortes, à sa grande solidité et à sa faible densité, il est devenu un matériau spécialisé pour les fusées et les satellites de la NASA.

Il est également utilisé dans les grands projets de notre pays, tels que le Jade Rabbit, le J-20 et le porte-avions Shandong. Après son entrée sur le marché de la consommation dans les années 1980, ses propriétés antibactériennes et biocompatibles naturelles en ont fait le "roi d'honneur" de l'industrie des arts de la table.

L'industrie chinoise du titane a débuté dans les années 1950. Au milieu des années 1960, la Chine avait établi des usines de titane spongieux et de traitement du titane à Zunyi et Baoji, respectivement, faisant de la Chine l'une des puissances mondiales de l'industrie du titane.

Au XXIe siècle, l'industrie chinoise du titane est entrée dans une nouvelle période de développement accéléré, sa capacité de production de titane étant la première au monde.

2. Différence entre le titane pur et les alliages de titane

Titane pur

Également connu sous le nom de titane industriel pur ou de titane commercial pur, il est classé en fonction de la teneur en éléments impurs. Il présente une excellente aptitude à l'emboutissage et soudabilitéIl est insensible au traitement thermique et aux types d'organisation et présente une certaine résistance dans des conditions de plasticité satisfaisantes. Sa résistance dépend principalement de la teneur en oxygène et en azote.

Les propriétés du titane industriel pur 99,5% sont les suivantes : densité P=4,5g/cm³Le point de fusion est de 1800°C, la conductivité thermique λ=15.24W/(M.K), la résistance à la traction σ b=539MPa, l'allongement : δ =25%, le taux de rétrécissement transversal ψ=25%, le module d'élasticité E=1.078×105MPa, la dureté HB195.

Alliage de titane

L'alliage de titane est un alliage composé de titane comme base et d'autres éléments. Il s'agit d'un métal relativement jeune, dont l'histoire ne s'étend que sur soixante à soixante-dix ans, depuis sa découverte jusqu'à aujourd'hui. Les matériaux en alliage de titane présentent des caractéristiques telles que la légèreté, une résistance élevée, une faible élasticité, une résistance aux températures élevées et une résistance à la corrosion.

Ils sont principalement utilisés pour les pièces des moteurs aéronautiques, des fusées, des missiles, etc. Le titane possède deux types de cristaux biréfringents homomorphes. Le titane est un isomorphe homomorphe, avec un point de fusion de 1720°C. En dessous de 882°C, il présente une structure cristalline hexagonale dense, appelée α titane ; au-dessus de 882°C, il présente une structure de réseau cubique centré, appelée β titane.

En utilisant les différentes caractéristiques des deux structures de titane susmentionnées, en ajoutant les éléments d'alliage appropriés et en modifiant progressivement la température de transition de phase et la teneur en phase, on obtient différentes organisations d'alliages de titane (alliages de titane).

Les éléments des alliages de titane peuvent être divisés en trois catégories en fonction de leur impact sur la température de transition de phase :

① Phase α stable, les éléments qui augmentent la température de transition de phase sont des éléments stabilisateurs α, tels que l'aluminium, le magnésium, l'oxygène et l'azote. Parmi eux, l'aluminium est le principal élément d'alliage des alliages de titane, et il a des effets évidents sur l'amélioration de la résistance à température ambiante et à haute température de l'alliage, sur la réduction de la gravité spécifique et sur l'augmentation du module d'élasticité.

② Phase β stable, les éléments qui diminuent la température de transition de phase sont des éléments β-stabilisateurs. Ils peuvent être divisés en isomorphes et eutectiques. Les premiers comprennent le molybdène, le niobium, le vanadium, etc. ; les seconds comprennent le chrome, le manganèse, le cuivre, le silicium, etc.

③ Les éléments neutres qui ont peu d'effet sur la température de transition de phase sont le zirconium, l'étain, etc.

Tableau des marques et de la composition chimique du titane et des alliages de titane

Grades les plus couramment utilisés :

TA1 (norme américaine : Gr1)

Le titane TA1 (Gr1) est le premier des quatre grades de titane industriel pur. C'est le plus doux et le plus ductile de ces grades. Il présente la meilleure aptitude au formage, une excellente résistance à la corrosion et une grande résistance aux chocs. Le grade TA1 est le matériau de choix pour toute application nécessitant une mise en forme facile, généralement utilisé pour les plaques et les tubes en titane.

TA2 (norme américaine : Gr2) Grade

En raison de sa diversité et de sa grande disponibilité, le titane de qualité TA2 est connu comme le "cheval de bataille" de l'industrie commerciale du titane pur. Il partage de nombreuses qualités avec l'alliage de titane de grade TA1, mais il est légèrement plus résistant. Les deux sont également résistants à la corrosion.

Cette qualité présente une bonne soudabilité, une bonne résistance, une bonne ductilité et une bonne formabilité. Cela fait des barres et des plaques de titane de qualité TA2 le meilleur choix pour de nombreuses applications dans la construction, la production d'énergie et l'industrie médicale.

TA3 (norme américaine : Gr3) Grade

Cette qualité est la moins utilisée des qualités commerciales de titane pur, mais cela n'enlève rien à sa valeur. La qualité TA3 est plus résistante que les qualités TA1 et TA2, avec une ductilité similaire, mais une formabilité légèrement inférieure. Mais ses propriétés mécaniques sont plus élevées que celles de ses prédécesseurs.

La nuance TA3 est utilisée dans les applications nécessitant une résistance modérée et une résistance primaire à la corrosion, telles que l'aérospatiale, le traitement chimique et l'industrie marine.

TA4 (American Standard : Gr4) Grade

La qualité TA4 est considérée comme la plus solide des quatre qualités commerciales de titane pur. Elle est également connue pour son excellente résistance à la corrosion, sa bonne formabilité et sa soudabilité. Il est utilisé dans des applications nécessitant une résistance élevée, telles que certains composants de cellules d'avion, des cuves à basse température, des échangeurs de chaleur, etc.

TA9 (norme américaine : Gr7) Grade

La qualité TA9 est mécaniquement et physiquement équivalente à la qualité TA2, sauf que l'ajout de palladium en fait un alliage. La nuance 7 présente une excellente soudabilité et d'excellentes caractéristiques. Elle est la plus résistante à la corrosion de tous les alliages de titane.

En fait, il est le plus résistant à la corrosion dans les acides réducteurs. La nuance TA9 est utilisée pour les processus chimiques et les composants des équipements de production. Le TA9 présente une très forte résistance à la corrosion, en particulier dans les environnements acides réducteurs.

TA9-1 (American Standard : Gr11) Grade

La qualité TA9-1 est très similaire à la qualité TA1, avec une petite quantité de palladium ajoutée pour améliorer la résistance à la corrosion, ce qui en fait un alliage. Cette résistance à la corrosion peut être utilisée pour prévenir la corrosion par crevasses et réduire l'acide dans les environnements chlorés.

Les autres propriétés utiles comprennent une ductilité optimale, une formabilité à froid, une résistance utile, une résistance aux chocs et une excellente soudabilité. Cet alliage peut être utilisé pour les mêmes applications de titane que la nuance 1, en particulier lorsque la corrosion est nécessaire.

Ti 6Al-4V (norme chinoise TC4, norme américaine Gr5) Grade

Souvent appelé le "pilier" des alliages de titane, le Ti 6Al-4V ou titane de grade 5 est le plus couramment utilisé de tous les alliages de titane. Il représente 50% de l'utilisation totale de titane dans le monde. Sa popularité est due à ses nombreux avantages.

Le Ti 6Al-4V peut être traité thermiquement pour augmenter sa résistance. Il peut être utilisé pour souder des structures à des températures d'utilisation allant jusqu'à 600°F. L'alliage présente une résistance élevée, une bonne aptitude au formage et une grande résistance à la corrosion, tout en étant léger. La polyvalence du Ti 6Al-4V en fait un alliage optimal pour diverses industries telles que l'aérospatiale, la médecine, la marine et le traitement chimique. Il peut être utilisé pour créer les contenus techniques suivants :

• Turbines d'avion
• Pièces de moteur
• Composants structuraux d'aéronefs
• Fixations aérospatiales
• Pièces automobiles de haute performance
• Applications marines
• Équipements sportifs

Ti 6AL-4V ELI (norme chinoise TC4ELI, norme américaine Gr23) Grade

Le Ti 6AL-4V ELI ou TC4ELI est une forme plus pure du Ti 6Al-4V. Elle peut être transformée en bobines, en fils toronnés, en fils électriques ou en fils plats. C'est le meilleur choix pour toutes les situations nécessitant une résistance élevée, de la légèreté, une bonne résistance à la corrosion et une grande ténacité. Il présente une excellente tolérance aux dommages par rapport à d'autres alliages.

Ces avantages font de la nuance TC4ELI la meilleure nuance de titane dentaire et médical. En raison de sa biocompatibilité, de sa bonne résistance à la fatigueEn raison de ses propriétés mécaniques et de son faible module, il peut être utilisé pour des applications biomédicales telles que les composants implantables. Il est également utile pour les procédures chirurgicales détaillées, telles que :

• Broches et vis orthopédiques
• Câbles orthopédiques
• Ligatures
• Implants chirurgicaux
• Appareils orthodontiques
• Remplacement des articulations
• Récipients cryogéniques
• Dispositifs de fixation osseuse

TA10 (American Standard Gr12) Grade

La qualité TA10 du titane est qualifiée d'"excellente" pour sa soudabilité de haute qualité. Il s'agit d'un alliage très durable qui offre une immense résistance à des températures élevées. Le titane de qualité TA10 présente des caractéristiques similaires à celles de la série 300 de l'acier inoxydable.

Cet alliage peut être formé à chaud ou à froid par pressage, hydroformage, étirage ou martelage. Sa capacité à être formé de diverses manières le rend utile dans de nombreuses applications. La haute résistance à la corrosion de cet alliage lui confère également une valeur inestimable pour les équipements de fabrication qui doivent tenir compte de la corrosion caverneuse. La nuance TA10 peut être utilisée dans les industries et applications suivantes :

• Coquilles et échangeurs de chaleur
• Applications hydrométallurgiques
• Fabrication de produits chimiques à haute température
• Composants marins et aéronautiques

Ti 5Al-2,5Sn

Le Ti 5Al-2,5Sn est un alliage non traitable à chaud qui offre une bonne soudabilité et une bonne stabilité. Il présente également une stabilité à haute température, une résistance élevée, une bonne résistance à la corrosion et une bonne résistance au fluage. Le fluage est le phénomène de déformation plastique qui se produit sur une longue période à des températures élevées. Le Ti 5Al-2,5Sn est principalement utilisé dans les applications aéronautiques et les fuselages, ainsi que dans les applications à basse température.

Enfin, vous trouverez ci-joint une comparaison des anciennes et nouvelles qualités de titane et de leurs compositions chimiques selon les normes étrangères et nationales.

3. Applications du titane et de ses alliages

Bien que le titane et les alliages de titane soient abondants, leurs prix sont très élevés. Cela s'explique par le fait que le titane a une faible activité chimique à haute température, ce qui rend sa technologie de fusion et son environnement opérationnel très exigeants. Il doit être fondu à haute température et sous vide, atteignant souvent des températures supérieures à 800℃.

Cette opération est donc beaucoup plus difficile que la fusion de l'acier. Par conséquent, lorsque les gens mentionnent les alliages de titane, ils le perçoivent comme un matériau métallique haut de gamme dont la production est faible et le prix élevé, ce qui explique qu'il soit rarement utilisé.

Actuellement, en raison des excellentes propriétés des alliages de titane - légèreté, haute résistance et résistance à la chaleur - le titane et les matériaux à base d'alliages de titane sont largement utilisés dans la fabrication d'armes de pointe et d'instruments nationaux importants, en particulier dans l'industrie aérospatiale. Voici quelques exemples de ses applications dans l'industrie chimique :

1. Industrie de la production d'alcali

L'introduction de refroidisseurs en titane dans l'industrie de la production d'alcali a permis de résoudre efficacement le problème du chlore gazeux de qualité inférieure produit en raison du processus de refroidissement traditionnel déraisonnable. Elle a également changé le visage de l'industrie du chlore et de la soude, car les refroidisseurs en alliage de titane investis peuvent avoir une durée de vie allant jusqu'à 20 ans.

2. Industrie de la production de sel

La technologie de production de sel la plus avancée actuellement utilisée est la production de sel sous vide. La saumure concentrée à haute température produite au cours de ce processus peut endommager gravement les structures en acier au carbone et provoquer des fuites au niveau de l'équipement.

La mise en œuvre d'une structure composite titane-acier dans les chambres de chauffage et d'évaporation peut prévenir efficacement l'entartrage du sel, améliorer la qualité du sel et réduire l'impact de la corrosion de la saumure à forte concentration sur les parois des tuyaux pendant le processus d'évaporation, prolongeant ainsi le cycle d'entretien.

Industrie aérospatiale

1. Industrie aéronautique

Les alliages de titane utilisés dans l'aviation sont divisés en alliages de titane structurels pour les avions et en alliages de titane structurels pour les moteurs. Les principales applications des structures en alliage de titane sur les avions comprennent les composants des trains d'atterrissage, les cadres, les poutres, les revêtements de fuselage et les boucliers thermiques. L'avion russe Il-76 utilise l'alliage de titane BT22 à haute résistance pour fabriquer des composants clés tels que le train d'atterrissage et les poutres porteuses.

La traverse du train d'atterrissage principal du Boeing 747 est fabriquée en Ti-6Al-4V, avec une pièce forgée mesurant 6,20 mètres de long et 0,95 mètre de large, pesant jusqu'à 1 545 kilogrammes. L'alliage de titane Ti-62222S à haute résistance et haute ténacité est utilisé dans des parties cruciales de l'axe du stabilisateur horizontal de l'avion C-17.

En ce qui concerne les moteurs d'avion, les alliages de titane sont utilisés dans les disques, les aubes et les tambours des compresseurs, les rotors des compresseurs à haute pression et les boîtiers des compresseurs. Le bord d'attaque et l'extrémité de l'aube du ventilateur du moteur Boeing 747-8GENX sont protégés par une enveloppe en alliage de titane, qui n'a été remplacée que trois fois au cours d'une période de service de 10 ans.

2. Industrie des engins spatiaux

Les conditions de travail des engins spatiaux sont extrêmement difficiles. Outre la nécessité d'une conception technique supérieure des matériaux, les excellentes caractéristiques et fonctions des matériaux eux-mêmes sont également cruciales, ce qui fait que les alliages de titane se distinguent parmi de nombreux matériaux.

Dans le domaine des équipements spatiaux, lors du programme Apollo des États-Unis dans les années 1960, la cabine pour deux hommes, les poutres des ailes de la cabine fermée et les nervures étaient toutes en Ti-5Al-2,5Sn, avec des revêtements en titane pur.

La société allemande MT Aerospace a produit un réservoir de stockage du système de propulsion en alliage Ti-15V-3Cr à haute résistance, qui est utilisé sur la plate-forme géante du satellite de communication européen Alpha.

Il existe de nombreux exemples d'application des alliages de titane russes dans l'ingénierie spatiale, comme l'utilisation d'une grande pièce forgée en alliage de titane BT23 de 3,5 tonnes et d'une pièce forgée dans la fusée cargo Energia. En outre, les alliages de titane sont également utilisés dans les réservoirs de carburant des moteurs-fusées à combustible liquide, les réservoirs de stockage de liquide à basse température et les roues des pompes à hydrogène liquide.

De même, les alliages de titane sont largement utilisés dans le développement rapide de l'ingénierie spatiale nationale. Depuis le satellite Dongfang 1 en 1970 jusqu'aux vaisseaux spatiaux actuels de la série Shenzhou et aux sondes lunaires Chang'e, les alliages de titane ont été utilisés.

En outre, la bouteille de gaz en alliage de titane TA7ELI à basse température mise au point par la Chine pour être utilisée dans un environnement d'hydrogène liquide a été utilisée dans les véhicules de lancement de la série Long March. L'Institut de technologie de Harbin a utilisé l'alliage de titane TC4 pour fabriquer les jantes des rovers lunaires. En outre, la Chine a également utilisé le BT20 et d'autres alliages de titane à haute résistance pour fabriquer les carters de moteurs et les tuyères de missiles.

3. Applications maritimes

Le titane et ses alliages sont largement utilisés dans les sous-marins nucléaires, les submersibles profonds, les brise-glaces atomiques, les hydroptères, les aéroglisseurs, les dragueurs de mines, ainsi que dans les hélices, les antennes fouet, les canalisations d'eau de mer, les condenseurs, les échangeurs de chaleur, les dispositifs acoustiques et les équipements de lutte contre l'incendie. Par exemple, l'U.S.

Le submersible profond "Sea Cliff" est équipé d'une cabine d'observation et d'une cabine de contrôle en titane, capable de plonger jusqu'à 6100 m de profondeur. La société japonaise Toho Titanium, en collaboration avec Fujin Shipbuilding, a construit le "Mori Support Heaven II", un bateau rapide en titane qui a connu une période de fortes ventes aux États-Unis. Le premier submersible habité conçu et intégré par la Chine, le "Jiaolong", utilise également des alliages de titane et couvre 99,8% des régions océaniques de la planète.

4. Questions actuelles et perspectives du titane et de ses alliages

Malgré les avancées significatives dans le développement du titane et de ses alliages, certains défis persistent. Ces défis se répartissent principalement en trois catégories :

1) Aspect production

La Chine est un acteur majeur de l'industrie du titane, mais la quantité de produits de haute qualité qu'elle produit est faible, et il y a une pénurie de produits en titane présentant des caractéristiques particulières.

En outre, la Chine n'est pas encore en mesure de produire en masse des bandes de titane et des profilés extrudés en titane. Cette limitation entrave le développement et l'utilisation du titane et de ses alliages dans les domaines de l'aérospatiale et de la marine. L'objectif d'augmenter l'utilisation du titane dans les moteurs d'aviation à environ 50% reste un défi considérable.

2) Aspect performance

Le titane est très actif chimiquement, ce qui le rend sensible à la contamination par d'autres éléments. Cela nécessite un haut niveau de précision dans le traitement et la fabrication des alliages de titane.

En outre, les produits de haute performance qui en résultent nécessitent une évaluation complète de leurs propriétés mécaniques, physiques, chimiques et technologiques. La diminution drastique de la résistance au fluage et de la résistance à l'oxydation à haute température au-delà de 600°C sont les deux principaux obstacles à l'élargissement de l'application des alliages de titane existants.

3) Aspect coût

Actuellement, des efforts sont déployés dans le monde entier pour réduire les coûts d'application des alliages de titane, et des progrès considérables ont été réalisés.

Toutefois, en ce qui concerne la situation actuelle de la Chine, les niveaux de gestion et de technologie du pays n'ont pas encore atteint un état idéal. Les alliages de titane produits dans le pays n'ont pas de prix compétitifs à l'échelle internationale, ce qui est préjudiciable à leur utilisation à plus grande échelle.

À l'heure actuelle, les principaux domaines d'application des alliages de titane restent les secteurs de l'aérospatiale et de l'industrie militaire. Toutefois, les perspectives de développement de nouveaux domaines d'application, tels que l'automobile, les trains, les trains à grande vitesse et même les secteurs civils quotidiens, sont encore vastes.

En outre, le remplacement d'éléments d'alliage coûteux par des éléments moins chers, ainsi que la réduction du coût des composants en alliage de titane par des moyens technologiques, sont des sujets importants pour la recherche future sur les alliages de titane. Une fois que les applications haut de gamme des alliages de titane seront fabriquées à faible coût, elles seront utilisées dans différents domaines.