Comment les éléments d'alliage influencent-ils les propriétés des alliages de titane ?

Le titane présente deux formes allotropiques : le titane alpha, à structure hexagonale compacte, est stable en dessous de 882 °C, tandis que le titane bêta, à structure cubique centrée, est stable au-dessus de 882 °C. Le titane a une densité de 4,51 g/cm³, conserve une résistance spécifique élevée jusqu’à environ 550–600 °C, résiste à la corrosion grâce à des films stables d’oxyde et de nitrure, et conserve une résistance, une ductilité et une ténacité utiles à la température de l’azote liquide. Sa conductivité thermique est d’environ un quart de celle du fer, et son module d’élasticité est d’environ 54% de celui du fer.

Objectif de l'alliage du titane

L'alliage permet de contrôler la composition, la stabilité et les propriétés des phases alpha et bêta. Les éléments dont la concentration en électrons est inférieure à 4 ont tendance à stabiliser la phase alpha, ceux dont elle est supérieure à 4 stabilisent la phase bêta, et ceux dont elle est proche de 4 peuvent stabiliser les deux. Parmi les ajouts importants, on peut citer l'Al, le Sn, le Zr, le V, le Mo, le Mn, le Fe, le Cr, le Cu et le Si.

• Stabilisateurs alpha, tels que l'Al, augmentent la température de transformation et élargissent le champ alpha.
• Stabilisateurs bêta, comme le Mo, abaissent la température de transformation et élargissent la zone bêta.
• Éléments neutres ont peu d'effet sur la température de transformation et se dissolvent en grande partie dans les deux phases.

Quatre types courants de systèmes binaires

1. Systèmes péritectoïdes et systèmes formant des composés : Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N et Ti-O. Les vastes domaines de solutions solides alpha du Ti-Al, du Ti-Sn et du Ti-Ga revêtent une grande importance pour les alliages résistants à la chaleur.
2. Solubilité bêta continue et solubilité alpha limitée : Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta et Ti-Mo. Ces éléments à structure cubique à corps centré stabilisent la phase bêta. À une concentration critique, un refroidissement rapide permet de conserver intégralement la phase bêta jusqu'à température ambiante.
3. Systèmes eutectoïdes : Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi et Ti-W. Le Cu, le Si et l'H sont des stabilisateurs bêta eutectoïdes actifs et peuvent entraîner un durcissement par vieillissement ; le Fe, le Mn et le Cr se transforment suffisamment lentement pour que des structures alpha-bêta puissent subsister après un refroidissement ordinaire.
4. Solutions solides continues d'alpha et de bêta : Ti-Zr et Ti-Hf. Le Zr renforce la structure alpha et est largement utilisé ; le Hf est dense, rare et moins pratique.

Une conception efficace des alliages consiste donc à choisir les types d'éléments et les ajouts permettant d'obtenir l'équilibre de phases, les propriétés mécaniques et le comportement à la transformation requis.