Alliages de titane bêta : traitement thermique, structure et propriétés

Les alliages de titane bêta contiennent suffisamment d’éléments stabilisateurs de la phase bêta pour conserver une proportion importante de cette phase à température ambiante. Ils se caractérisent par une faible contrainte d'écoulement, une grande trempabilité, une bonne formabilité à froid et une bonne réponse au traitement de mise en solution et au vieillissement. Leur densité et leur coût d'alliage peuvent être supérieurs à ceux des alliages alpha-bêta, et les alliages à bêta stable peuvent sacrifier la résistance au profit de la ductilité.

Stabilité et déformation de la bêta

Les alliages bêta métastables peuvent subir une transformation ou une précipitation au cours de la déformation et du traitement thermique. En fonction de leur stabilité, les contraintes ou le refroidissement peuvent donner lieu à la formation de produits de type alpha-prime, alpha-double-prime ou oméga. Une stabilité bêta accrue modifie le mécanisme de déformation actif ainsi que la réponse contrainte-déformation en traction.

Recuit bêta

Un recuit au-dessus du transus bêta donne naissance à des grains bêta équiaxes. La taille des grains dépend de la température, de la durée et du traitement préalable ; des grains grossiers peuvent nuire à la ductilité et à la résistance à la fatigue, même lorsque la ténacité à la rupture est améliorée.

Recuit alpha-bêta

Un recuit en dessous du transus bêta permet de conserver l'alpha primaire et de recristalliser le bêta, ce qui affine la structure et permet d'équilibrer la résistance, la ductilité et le comportement à la rupture.

Traitement en solution et vieillissement

La phase bêta traitée par solution est relativement tendre et malléable. Le vieillissement entraîne la précipitation d'alpha fin au sein de la phase bêta et produit l'effet de renforcement principal. Le vieillissement en une seule étape suit une courbe température-temps spécifique ; les températures plus basses augmentent généralement la densité de nucléation et affinent les précipités, tandis que les températures plus élevées accélèrent la croissance et le grossissement.

Un vieillissement en deux étapes peut générer un alpha à double échelle. Une étape à basse température permet la formation de noyaux fins ou de précurseurs, tandis qu’une étape à température plus élevée permet d’obtenir une distribution alpha plus stable. L’ordre des étapes et la vitesse de chauffage doivent être contrôlés, car ils influencent la nucléation, les zones exemptes de précipités et la taille finale des plaques.

Principales variables liées au vieillissement

• Température de vieillissement : détermine la nucléation, la croissance, la fraction volumique et l'espacement des alpha.
• Durée de maintien : renforce la résistance, mais peut à terme rendre l'alpha plus grossier et réduire la ductilité.
• Vitesse de chauffage : influe sur les transformations intermédiaires et sur le nombre de sites de nucléation alpha.
• Déformation antérieure : introduit des défauts et des limites qui favorisent la nucléation hétérogène.
• Taille et composition des grains bêta : déterminer la cinétique de précipitation et l'uniformité des propriétés finales.

Le traitement optimal permet d’atteindre un équilibre entre la limite d’élasticité, la ductilité en traction, la ténacité à la rupture, la résistance à la fatigue et la stabilité dimensionnelle. Toute décision d’achat ou de certification doit néanmoins se fonder sur les spécifications applicables à l’alliage et au produit concernés, plutôt que sur une description générique de la microstructure.