En 1948, la société américaine DuPont a commencé à produire en masse des éponges de titane en utilisant le procédé au magnésium, marquant ainsi l'aube de la production industrialisée de titane. Les alliages de titane, avec leur résistance spécifique élevée, leur excellente résistance à la corrosion et leur résistance supérieure à la chaleur, sont aujourd'hui largement utilisés dans divers secteurs. Les alliages de titane sont utilisés dans l'industrie aéronautique depuis plus de [...]
En 1948, la société américaine DuPont a commencé à produire en masse du titane spongieux en utilisant le procédé au magnésium, marquant ainsi le début de la production industrielle de titane.
Les alliages de titane, avec leur résistance spécifique élevée, leur excellente résistance à la corrosion et leur résistance supérieure à la chaleur, sont aujourd'hui largement utilisés dans divers secteurs.
Les alliages de titane sont utilisés dans l'industrie aéronautique depuis plus d'un demi-siècle ; dans le secteur de l'électronique grand public, des marques comme Huawei, Apple, Xiaomi et Honor ont incorporé ce matériau dans un grand nombre de leurs modèles de smartphones, et un nombre croissant de fabricants d'électronique devraient adopter les alliages de titane. Mais qu'est-ce qui fait que titane si universellement appréciés ?
1. Résistance spécifique élevée :
1,3 fois celle des alliages d'aluminium, 1,6 fois celle des alliages de magnésium et 3,5 fois celle de l'acier inoxydable, ce qui en fait le champion des alliages d'aluminium. matériaux métalliques.
2. Résistance thermique élevée :
Il peut fonctionner à long terme à des températures supérieures de plusieurs centaines de degrés à celles des alliages d'aluminium, notamment entre 450 et 500°C.
3. Excellente résistance à la corrosion :
Il résiste bien aux acides, aux alcalis et à la corrosion atmosphérique, et présente une résistance particulièrement forte à la corrosion par piqûres et à la corrosion sous contrainte.
4. Bonne performance à basse température :
Certains alliages de titane, comme le TA7 à faible teneur interstitielle, conservent une certaine plasticité même à -253°C.
5. Réactivité chimique élevée :
À haute température, le titane est très réactif et se combine facilement avec des gaz tels que l'hydrogène et l'oxygène de l'air, créant ainsi une couche durcie.
6. Faible conductivité thermique et module d'élasticité :
Sa conductivité thermique est environ un quart de celle du nickel, un cinquième de celle du fer et un quatorzième de celle de l'aluminium. La conductivité thermique de divers alliages de titane est inférieure d'environ 50% à celle du titane pur. Le module d'élasticité des alliages de titane est environ la moitié de celui de l'acier.
Les alliages de titane peuvent être classés en différentes catégories : alliages résistants à la chaleur, alliages à haute résistance, alliages résistants à la corrosion (tels que titane-molybdène, titane-palladium), alliages à basse température et alliages à usage spécial (tels que les matériaux de stockage d'hydrogène titane-fer, les alliages à mémoire de forme titane-nickel).
Malgré l'histoire relativement courte de leur application, leurs propriétés exceptionnelles ont valu au titane et à ses alliages plusieurs titres prestigieux, dont le premier est celui de "métal de l'espace".
Sa légèreté, sa résistance spécifique élevée et sa résistance aux températures élevées le rendent particulièrement adapté à la fabrication d'avions et de divers engins spatiaux.
Environ trois quarts de la production mondiale de titane et de ses alliages sont utilisés dans l'industrie aérospatiale, de nombreux composants initialement fabriqués à partir d'alliages d'aluminium étant désormais remplacés par des alliages de titane.
Les alliages de titane sont principalement utilisés dans la fabrication de composants d'avions et de moteurs, tels que les aubes de ventilateur en titane forgé, les disques et les aubes de compresseur, les couvercles de moteur, les systèmes d'échappement et les cadres structurels tels que les cloisons de longerons d'avions.
Les engins spatiaux tirent parti de la résistance spécifique élevée des alliages de titane, de leur résistance à la corrosion et de leurs performances à basse température pour fabriquer divers récipients sous pression, réservoirs de carburant, fixations, sangles d'instruments, cadres et enveloppes de fusées.
Les satellites artificiels, les modules lunaires, les vaisseaux spatiaux habités et les navettes spatiales utilisent également des composants soudés fabriqués à partir de feuilles d'alliage de titane.
En 1950, les États-Unis ont utilisé pour la première fois des alliages de titane dans le chasseur-bombardier F-84 pour des composants non porteurs tels que des boucliers thermiques pour l'arrière du fuselage, des déflecteurs de vent et des couvercles de queue.
À partir des années 1960, les applications des alliages de titane se sont déplacées de l'arrière vers le milieu du fuselage, remplaçant partiellement l'acier structurel pour la fabrication des cadres, des poutres et des rails de volets en tant que composants porteurs critiques.
À partir des années 1970, les avions civils ont commencé à utiliser massivement des alliages de titane, le Boeing 747 incorporant plus de 3 640 kilogrammes de titane, soit 28% du poids de l'avion.
Grâce aux progrès des techniques de traitement, une quantité considérable d'alliage de titane a également été utilisée dans les fusées, les satellites et les navettes spatiales. Plus l'avion est perfectionné, plus l'utilisation du titane est importante.
L'avion de chasse américain F-14A utilise des alliages de titane représentant environ 25% de son poids ; le F-15A a 25,8% ; les chasseurs de quatrième génération utilisent jusqu'à 41% de titane, le moteur du F119 représentant à lui seul 39% d'utilisation de titane, soit le taux le plus élevé de tous les aéronefs à ce jour.
Pourquoi les avions de transport aérien doivent-ils utiliser des alliages de titane ? Les avions modernes peuvent atteindre des vitesses allant jusqu'à 2,7 fois la vitesse du son. À des vitesses supersoniques aussi élevées, le frottement avec l'air génère une quantité importante de chaleur.
Lorsque la vitesse de vol dépasse deux fois la vitesse du son, les alliages d'aluminium ne peuvent plus résister aux conditions, ce qui nécessite l'utilisation d'alliages de titane résistants aux hautes températures.
Le rapport poussée/poids des moteurs d'aviation étant passé de 4-6 à 8-10, et la température de sortie du compresseur étant passée de 200-300°C à 500-600°C, les disques et aubes du compresseur basse pression, autrefois en aluminium, ont dû être remplacés par des alliages de titane.
Les récentes avancées dans l'étude des propriétés des alliages de titane ont permis de réaliser des progrès significatifs.
Les alliages de titane traditionnels composés de titane, d'aluminium et de vanadium, dont la température maximale d'utilisation est comprise entre 550°C et 600°C, ont été remplacés par des alliages d'aluminure de titane (TiAl) récemment mis au point, dont la température maximale d'utilisation peut atteindre 1040°C.
Le remplacement de l'acier inoxydable par des alliages de titane pour la fabrication de disques et d'aubes de compresseurs à haute pression permet de réduire le poids de la structure. Une réduction de 10% du poids d'un avion peut se traduire par une économie de 4% de carburant. Pour les fusées, une réduction de 1 kg du poids peut augmenter la portée de 15 km.
Dans l'industrie très concurrentielle de l'électronique grand public, représentée par les téléphones portables, les principaux fabricants sont désireux d'utiliser des alliages de titane pour améliorer la qualité de leurs produits.
Des marques comme Huawei, Apple, Xiaomi et Honor ont déjà intégré ce matériau dans divers produits. Apple a équipé ses montres de la série Ultra de boîtiers en titane en standard, et son dernier iPhone 15 comprend un modèle Pro doté d'un tout nouveau boîtier en titane, ce qui en fait le premier téléphone Apple à adopter du titane de qualité aéronautique.
En 2022, Huawei a utilisé un alliage de titane dans les composants structurels de son téléphone à écran pliable, le MateXs2, et a incorporé un cadre en titane dans la Watch4Pro.
Le 12 octobre, Honor a sorti son nouveau smartphone pliable phare, le Honor MagicVs2, doté de matériaux innovants comme la charnière en titane Luban. Dans la nouvelle gamme de Xiaomi, le modèle le plus cher est le 14 Pro en titane.
Samsung utiliserait un cadre en alliage de titane pour son prochain Galaxy S24 Ultra, à l'instar de la couleur titane de l'iPhone 15 Pro.
Dans l'ensemble, la combinaison d'une résistance spécifique élevée et de propriétés de légèreté est une des principales raisons pour lesquelles les alliages de titane sont largement promus, ce qui permet aux appareils électroniques grand public d'être plus portables et d'offrir une expérience utilisateur plus confortable.
Premièrement, les alliages de titane ont une faible conductivité thermique, seulement un quart de celle de l'acier, un treizième de celle de l'aluminium et un vingt-cinquième de celle du cuivre. La lenteur de la dissipation de la chaleur dans la zone de coupe n'est pas propice à l'équilibre thermique.
Au cours du processus d'usinage, une mauvaise dissipation de la chaleur et des effets de refroidissement peuvent entraîner des températures élevées, des déformations importantes et des pertes d'énergie. dos d'âne dans les pièces usinées, ce qui entraîne une augmentation du couple de l'outil de coupe et une usure rapide de l'outil, ce qui réduit sa durée de vie.
Deuxièmement, la faible conductivité thermique des alliages de titane fait que la chaleur de coupe s'accumule dans une petite zone près de l'outil de coupe, ce qui est difficile à dissiper. Cela augmente la friction sur la face de coupe, rend l'évacuation des copeaux difficile et accélère l'usure de l'outil.
Enfin, la réactivité chimique élevée des alliages de titane signifie qu'ils ont tendance à réagir avec les outils. les matériaux à haute température pendant l'usinage, ce qui entraîne une soudure et une diffusion pouvant provoquer le collage, la brûlure, voire la rupture de l'outil.
Les centres d'usinage peuvent traiter plusieurs pièces simultanément, ce qui améliore l'efficacité de la production. Ils améliorent la précision de l'usinage, ce qui garantit une bonne homogénéité des produits.
Ces centres sont dotés des caractéristiques suivantes compensation des outils Les centres d'usinage sont dotés d'une grande capacité d'adaptation et d'une grande flexibilité, ce qui leur permet d'atteindre la précision inhérente à la machine elle-même. Grâce à leur large adaptabilité et à leur grande flexibilité, les centres d'usinage sont capables d'effectuer des opérations multifonctionnelles.
Des tâches telles que l'usinage en arc, le chanfreinage et l'arrondi des transitions sur les pièces sont toutes possibles. Ils permettent le fraisage, forageles opérations d'alésage et de taraudage.
Le calcul précis des coûts et le contrôle du calendrier de production sont également facilités. L'élimination de la nécessité de recourir à des montages spécialisés permet de réaliser des économies substantielles et de raccourcir le cycle de production tout en réduisant de manière significative l'intensité du travail des ouvriers. L'usinage multi-axes avec des logiciels comme UG est également possible.
Le matériau de l'outil doit avoir une dureté nettement supérieure à celle des alliages de titane.
Il doit posséder une résistance et une ténacité suffisantes pour supporter le couple important et les forces de coupe subies pendant l'usinage des alliages de titane.
Une résistance élevée à l'usure est essentielle car les alliages de titane sont résistants et nécessitent des arêtes de coupe tranchantes pour minimiser l'écrouissage. C'est le paramètre le plus important lors de la sélection des outils pour l'usinage des alliages de titane.
Le matériau de l'outil doit avoir une faible affinité avec les alliages de titane afin d'éviter l'alliage par dissolution et diffusion, qui peut entraîner le collage et la brûlure de l'outil. Des tests sur des matériaux d'outils nationaux et étrangers montrent que les outils à forte teneur en cobalt donnent des résultats idéaux.
Le cobalt renforce la trempe secondaire, améliore la dureté rouge et la dureté après traitement thermique, tout en offrant une grande ténacité, une résistance à l'usure et une bonne dissipation de la chaleur.
Les caractéristiques uniques d'usinage des alliages de titane impliquent que les paramètres géométriques des outils diffèrent considérablement de ceux des outils standard. Un angle d'hélice β plus petit est choisi pour faciliter l'enlèvement des copeaux et accélérer la dissipation de la chaleur, ce qui réduit également la résistance à la coupe pendant l'usinage.
L'angle de coupe positif γ assure une arête de coupe tranchante pour une coupe légère et rapide, évitant une chaleur de coupe excessive et l'écrouissage qui s'ensuit. Un angle de dépouille plus petit α ralentit l'usure de l'outil et améliore la dissipation de la chaleur et la durabilité de l'outil.
L'usinage des alliages de titane nécessite des vitesses de coupe plus faibles, des vitesses d'avance appropriées, des profondeurs de coupe raisonnables et des tolérances de finition, ainsi qu'un refroidissement suffisant. La vitesse de coupe vc=30-50m/min est optimale, avec des vitesses d'avance plus importantes pour l'ébauche et des vitesses d'avance modérées pour la finition et la semi-finition.
La profondeur de coupe ap=1/3d est appropriée ; des profondeurs plus importantes peuvent entraîner le collage, la brûlure ou la rupture de l'outil en raison de la bonne affinité et de l'évacuation difficile des copeaux des alliages de titane.
Il est nécessaire de prévoir une marge de finition appropriée, étant donné que les durcissement de la surface Une tolérance trop faible peut entraîner l'usure de l'outil en raison de la coupe dans la couche durcie, mais la tolérance ne doit pas être excessivement élevée pour éviter ce problème.
Il est préférable d'éviter les liquides de refroidissement contenant du chlore lors de l'usinage d'alliages de titane afin d'empêcher la formation de substances toxiques et de bactéries. fragilisation par l'hydrogèneainsi que pour protéger contre la corrosion fissurante à haute température.
Les émulsions synthétiques solubles dans l'eau sont préférables, ou un mélange de liquide de refroidissement personnalisé peut être utilisé. Pendant les opérations de coupe, il faut s'assurer que le liquide de refroidissement est abondant, qu'il circule rapidement, qu'il a un débit élevé et qu'il est sous pression.
Les centres d'usinage sont équipés de buses de refroidissement spécifiques qui, lorsqu'elles sont correctement réglées, permettent d'obtenir l'effet désiré.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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