Comment identifie-t-on les microstructures des alliages de titane ?

Le titane et les alliages de titane allient une faible densité, une résistance spécifique élevée, une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance aux températures élevées, des propriétés amagnétiques et une absence de toxicité. Ils sont largement utilisés dans l'aérospatiale, la construction navale, l'industrie pétrolière, l'industrie chimique, l'industrie légère, la métallurgie, la construction mécanique, la médecine et le secteur de l'énergie.

Les alliages de titane sont généralement classés en alliages alpha, alpha-bêta et bêta. Leurs phases de base sont relativement simples, mais les conditions de traitement peuvent donner lieu à de nombreuses morphologies et répartitions, ainsi qu'à des phases de transition et des phases d'impuretés.

Structures métallographiques des alliages de titane

Le titane commercialement pur (titane CP) appartient à la famille des alliages alpha. Les autres alliages alpha contiennent généralement environ 6% d'aluminium ainsi que de faibles quantités d'éléments neutres, et se composent presque exclusivement de phase alpha après recuit. Cette classification collective englobe le titane CP et les alliages de titane alpha. Les alliages « near-alpha » ne contiennent en outre pas plus d’environ 4% d’éléments stabilisateurs bêta ; on peut citer par exemple le Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) et le Ti-4Al-2V.

Les alliages de titane alpha et leurs microstructures

Les alliages de titane alpha sont constitués presque exclusivement de phase alpha, bien que des traces de phase bêta puissent apparaître lorsque la teneur en fer ou en manganèse est relativement élevée. La phase alpha se présente sous deux formes principales : équiaxe et lamellaire ou aciculaire. Le travail à froid et le recuit dans la région « alpha unique » produisent des grains alpha équiaxes similaires à ceux du titane CP.

Si le recuit dépasse la transition alpha/alpha-bêta, à environ 955 °C, ou la transition alpha-bêta/bêta, à environ 1 040 °C, la bêta à haute température se transforme, lors du refroidissement ultérieur en four ou à l'air, en alpha lamellaire ou aciculaire présentant un caractère de Widmanstatten. Le refroidissement au four produit des plaques plus grandes et arrondies ; le refroidissement à l’air produit des aiguilles plus fines et plus pointues. Par rapport à l’alpha équiaxe, ces morphologies ont peu d’effet sur la résistance à la traction mais réduisent la ductilité.

Alliages de titane alpha-bêta et leurs microstructures

Les alliages alpha-bêta contiennent moins de 6% d'aluminium en masse, ainsi que divers stabilisateurs bêta et éléments neutres. Après recuit, ils présentent des proportions variables d'alpha et de bêta. Ils se soudent généralement bien et peuvent être renforcés par traitement thermique, mais leur formabilité à froid et leur usinabilité à froid sont médiocres. On peut citer comme exemples le Ti-6Al-4V, le Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si et le TC21 (approximativement comparable au Ti-62222).

Le Ti-6Al-4V est l'alliage de titane alpha-bêta le plus couramment utilisé. Il est généralement soumis à un formage à chaud puis recuit, mais il peut également être trempé et vieilli. Son rapport alpha/bêta, ainsi que la morphologie, la taille et la répartition de ces deux phases, sont très sensibles aux conditions de formage à chaud.

Lors d'une trempe ou d'un traitement isotherme, la précipitation de la phase alpha à partir de la phase bêta peut s'accompagner d'une phase oméga de transition, une phase submicroscopique hors équilibre formée par nucléation et croissance.

Les alliages de titane bêta et leurs microstructures

Les alliages bêta se subdivisent en alliages bêta stables, bêta métastables et quasi-bêta. Parmi les variables métallographiques importantes, on peut citer la taille des grains bêta, la quantité et la morphologie des grains alpha primaires et secondaires, ainsi que la répartition des grains alpha le long des joints de grains.

Alliages bêta stables

Les alliages bêta stables contiennent suffisamment de stabilisateurs bêta pour empêcher la transformation martensitique lors de la trempe à température ambiante. Leurs matrices recuites et trempées sont constituées de bêta équiaxe, et le fluage à haute température peut entraîner la formation de macles. Ils présentent une résistance à température ambiante relativement faible, une bonne formabilité à froid et une bonne résistance à la corrosion dans les milieux réducteurs.

Alliages bêta métastables

Les alliages bêta métastables contiennent une concentration supérieure à la concentration critique de stabilisateurs bêta, avec un équivalent molybdène d'environ 10%, pas plus de 3% d'aluminium et de faibles quantités d'éléments neutres. Un traitement de mise en solution dans la phase bêta laisse une structure presque entièrement de type bêta métastable ; le vieillissement entraîne la précipitation de la phase alpha. Ces alliages allient une bonne aptitude au formage à froid à une résistance élevée après vieillissement. Parmi les compositions représentatives, on peut citer le Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, le Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al et le Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).

Alliages de type quasi-bêta

Les alliages « near-beta » contiennent des stabilisateurs bêta proches de la concentration critique, ainsi que des éléments neutres et de l’aluminium. Le traitement de mise en solution dans le champ bêta produit une quantité abondante de bêta métastable et d’autres constituants métastables de type alpha ou oméga ; après vieillissement, les phases alpha et bêta prédominent. Ces alliages sont particulièrement adaptés aux pièces forgées et offrent un excellent équilibre entre résistance mécanique et ténacité. Le Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) est un alliage représentatif.