Comment les éléments d'alliage renforcent-ils les alliages de titane ?

Les alliages de titane sont renforcés par des ajouts ciblés qui modifient le comportement en solution solide, la stabilité des phases, la précipitation et la réponse au traitement thermique. L'aluminium renforce principalement la phase α ; le vanadium et le molybdène stabilisent et renforcent la phase β du titane, tandis que l'étain et le zirconium favorisent la résistance à la chaleur des alliages. Les sections ci-dessous comparent ces effets à ceux du manganèse, du chrome, du silicium, du cuivre et des éléments des terres rares.

Aluminium

Presque tous les alliages de titane, à l'exception du titane commercialement pur, contiennent de l'aluminium, principalement dans le but de renforcer la structure par solution solide. Chaque 1% d'aluminium, en masse, augmente la résistance à la traction à température ambiante d'environ 50 MPa. La solubilité de l'aluminium dans le titane est limitée à 7,5%. Au-delà de cette limite, le Ti ordonné₃Al (α₂) se forme et nuit à la ductilité, à la ténacité et au comportement face à la corrosion sous contrainte ; c'est pourquoi l'utilisation de l'aluminium est généralement limitée au 7%.

L'aluminium améliore la résistance à l'oxydation, réduit la densité et augmente la température de recristallisation. L'ajout de 5% peut faire passer la température de recristallisation de 600 °C pour le titane pur à 800 °C. Il renforce les liaisons atomiques dans la solution solide de titane et améliore la résistance à haute température. Dans les alliages β traitables thermiquement, environ 3% d’aluminium permet de supprimer la phase ω fragilisante produite par la décomposition métastable de la phase β. L’aluminium augmente également la solubilité de l’hydrogène dans l’α-Ti, réduisant ainsi la sensibilité à la fragilisation liée aux hydrures.

Zirconium et étain

L'étain, tout comme le zirconium, est un élément neutre qui renforce efficacement la solution solide α sans réduire de manière significative la ductilité. Il améliore la résistance au fluage et joue un rôle important dans les alliages de titane résistants à la chaleur.

Le zirconium présente une solubilité élevée tant dans le Ti-α que dans le Ti-β et est généralement ajouté en association avec d’autres éléments pour renforcer davantage la résistance. Le zirconium et l’étain permettent aux alliages résistants à la chaleur de type « single-α » d’atteindre une meilleure résistance à la chaleur et au fluage, avec une perte de ductilité moindre que celle de l’aluminium, ce qui favorise une bonne formabilité et une bonne soudabilité. L'étain réduit également la sensibilité à la fragilisation par l'hydrogène. À des concentrations excessives, le Ti ordonné₃Le Sn se déforme et réduit la ductilité et la stabilité thermique.

Vanadium et molybdène

Le vanadium est un élément isomorphe β présentant une solubilité illimitée dans le titane β et une certaine solubilité dans le titane α. Il renforce plus efficacement que l'étain tout en conservant une bonne ductilité et peut améliorer la résistance au fluage et la stabilité thermique.

Le molybdène est également β-isomorphe. Il apporte un renforcement par solution solide, améliore l'usinabilité à chaud, la résistance au fluage et la stabilité thermique, et réduit la tendance à la fragilisation par l'hydrogène. Le vanadium et le molybdène sont les stabilisateurs de la phase β les plus couramment utilisés. Ils renforcent la phase β, abaissent la température de transformation, augmentent la trempabilité et améliorent la réponse au traitement thermique. Les alliages de titane contenant l’un ou l’autre de ces éléments ne subissent pas de réaction eutectoïde et conservent une bonne stabilité structurelle à haute température. Le vanadium seul n’assure une résistance au fluage que jusqu’à environ 400 °C. Le molybdène est plus efficace, mais augmente la densité et améliore également la résistance à la corrosion, en particulier la résistance à la corrosion interstitielle dans les solutions chlorurées.

Manganèse et chrome

Le manganèse et le chrome renforcent et stabilisent considérablement la phase β et présentent une densité inférieure à celle du molybdène ou du tungstène. Ils sont largement utilisés dans les alliages β métastables à haute résistance. Leurs réactions eutectoïdes lentes avec le titane peuvent réduire la stabilité à long terme à haute température et la résistance au fluage. L'ajout d'un élément isomorphe β, en particulier le molybdène, permet de limiter ces réactions.

Cuivre

Une partie du cuivre se dissout dans la phase α et une autre partie forme du TiCu₂, ce qui améliore la stabilité thermique et la résistance aux hautes températures. Au-delà de la limite de solubilité, le vieillissement peut entraîner un renforcement par dispersion et augmenter considérablement la résistance à température ambiante et à des températures élevées.

Silicium

Le silicium améliore la résistance aux hautes températures. À partir d'une teneur d'environ 0,21 TP33T en masse, il forme du Ti₅Si₃ dans les alliages sans zirconium et (Ti₂(Zr)₅Si₃ dans les alliages contenant du zirconium. Ces siliciures améliorent la résistance au fluage mais réduisent la stabilité thermique. La température eutectoïde élevée du silicium, qui est de 860 °C, favorise la résistance à la chaleur ; c'est pourquoi les alliages résistants à la chaleur contiennent souvent environ 0,25% de silicium, sans dépasser la solubilité maximale dans la phase α. Comme les atomes de silicium et de titane diffèrent considérablement par leur taille, le silicium se sépare au niveau des dislocations et entrave leur mouvement. Il augmente également la solubilité de l’hydrogène dans la phase β et réduit la tendance à la fragilisation par l’hydrogène.

Éléments des terres rares

L'ajout de terres rares améliore la résistance à la chaleur et la stabilité thermique. L'oxydation interne forme des terres rares fines et stables._xO_y des particules qui assurent un renforcement par dispersion. Ce processus réduit la concentration en oxygène dans la matrice et transfère l'étain vers les oxydes de terres rares, ce qui contribue à limiter la fragilité de la phase α₂ précipitation. Les éléments de terres rares freinent également fortement la croissance des grains β et affinent ces derniers, ce qui améliore les propriétés globales du matériau.

Le développement des alliages de titane s'oriente vers des systèmes multicomposants fortement alliés. Les éléments d'alliage permettent un renforcement par solution solide, stabilisent les phases α ou β, améliorent la réponse au traitement thermique, atténuent les effets néfastes et renforcent la résistance à la chaleur et à la corrosion.