Alliages de titane de type alpha : structure, propriétés, traitement thermique

Les alliages de titane alpha contiennent principalement la phase alpha et sont classés comme « entièrement alpha » ou « quasi-alpha ». Ne comportant que très peu, voire pas du tout, de phase bêta, ils ne peuvent pas être renforcés par un traitement thermique conventionnel ; la solution solide et l’affinage du grain constituent les principaux mécanismes de renforcement. L’Al, l’O, le Zr, le Sn et le Si sont des additifs importants. La teneur en aluminium est généralement maintenue en dessous de 6% afin de limiter la présence de la phase alpha2 (Ti3Al) ordonnée et fragile ; l'oxygène apporte un fort renforcement interstitiel mais réduit la ductilité, et les alliages quasi-alpha utilisent du silicium pour améliorer la résistance au fluage.

Titane commercialement pur

Le titane commercialement pur (titane CP) est généralement classé au niveau international selon les nuances ASTM 1 à 4, mais celles-ci ne constituent qu'un cadre général et ne correspondent pas à une correspondance exacte avec les nuances chinoises.

Microstructures entièrement alpha

Les alliages entièrement alpha offrent une bonne soudabilité, une bonne résistance à la corrosion, une bonne ductilité, une bonne ténacité en entaille et une température de transition ductile-fragile pouvant descendre jusqu'à −253 °C. Les grains équiaxes résultent d’un traitement alpha-bêta suivi d’un recuit de recristallisation. La résistance augmente avec l’affinement de la taille des grains ; pour la nuance de CP à plus faible teneur en oxygène, la relation est la suivante : limite d’élasticité = 231 MPa + 10,5d^−1/2. Un refroidissement rapide à partir de la phase bêta donne naissance à de la martensite alpha-prime aciculaire ou en lamelles, tandis qu'un refroidissement lent produit des colonies lamellaires grossières. Les structures lamellaires sacrifient une résistance à la traction et à la fatigue ainsi qu'une ductilité moindres au profit d'une meilleure ténacité à la rupture et d'une meilleure résistance au fluage.

Le Ti-5Al-2,5Sn allie une résistance et une ténacité élevées à des températures cryogéniques ; il est utilisé pour le stockage d'azote liquide à une température avoisinant les −253 °C.

Alliages proches de l'alpha

Les alliages de type « near-alpha » offrent une résistance au fluage et à l'oxydation, ainsi qu'une résistance mécanique pouvant atteindre environ 600 °C, ce qui les rend adaptés à une utilisation dans les compresseurs de turbines à gaz. On peut citer notamment le Ti-1100, l’IMI 834 et le BT18y. De faibles ajouts de Mo, de Nb ou de V améliorent la forgeabilité grâce à la présence d’une phase bêta limitée ; le Zr et l’Sn renforcent la phase alpha, tandis que les ajouts de Si, de C et de terres rares peuvent améliorer la résistance au fluage.

Le forgeage et le traitement thermique dans le domaine alpha-bêta peuvent donner naissance à une structure bimodale composée d'alpha primaire équiaxe et de bêta transformé contenant de l'alpha lamellaire secondaire. Cette structure offre un bon équilibre entre le fluage, la ténacité à la rupture et la résistance à la fatigue.

Un refroidissement plus rapide après un traitement à la solution bêta permet d'obtenir des lamelles alpha plus fines, une résistance plus élevée et une ductilité moindre. L'augmentation de la teneur en bêta peut améliorer le comportement au fluage de l'IMI 834, mais réduit ses performances en fatigue. Le vieillissement ou une exposition prolongée peuvent entraîner la précipitation d'alpha2 ordonné et de siliciures Ti₅Si₃, ce qui augmente la résistance à température ambiante et à haute température tout en réduisant la ductilité.