Quels sont les types, les propriétés et les défauts des alliages de titane moulés ?

Les alliages de titane moulés sont classés, en fonction de leur microstructure après recuit, en trois types : α, α+β et β. Parmi leurs propriétés utiles, on peut citer leur faible densité, leur résistance spécifique élevée et leur résistance à la corrosion, tandis que leur comportement au moulage dépend de la fluidité de la masse fondue, du retrait de solidification et de la réactivité. Ce guide compare les groupes de matériaux, la composition et les propriétés mécaniques des nuances répertoriées, ainsi que les défauts de coulée courants.

Propriétés des alliages de titane moulés

Le titane allie une faible densité, une résistance élevée, une bonne ténacité, un comportement amagnétique, un point de fusion élevé, un faible coefficient de dilatation thermique et une forte résistance à la corrosion et aux attaques biologiques. Les alliages de titane moulés présentent généralement les dix caractéristiques suivantes.

1. Faible densité, haute résistance et haute résistance spécifique

Le titane a une densité de 4,51 g/cm³, soit environ 57% fois celle de l'acier. Il pèse moins de deux fois plus lourd que l'aluminium, mais peut être environ trois fois plus résistant. Dans la comparaison présentée ici, les alliages de titane ont une résistance spécifique environ 3,5 fois supérieure à celle de l’acier inoxydable, 1,3 fois supérieure à celle des alliages d’aluminium et 1,7 fois supérieure à celle des alliages de magnésium. Cela en fait des matériaux de structure importants pour les applications aérospatiales.

2. Excellente résistance à la corrosion

La passivité du titane dépend de son film d'oxyde. Sa résistance à la corrosion est bien meilleure dans les milieux oxydants que dans les milieux réducteurs, où une corrosion rapide peut se produire. Le titane résiste aux attaques dans des milieux tels que l'eau de mer, le chlore humide, les solutions de chlorite et d'hypochlorite, l'acide nitrique, l'acide chromique, les chlorures métalliques, les sulfures et les acides organiques.

3. Bonne résistance à la chaleur

L'aluminium perd généralement ses performances d'origine vers 150 °C et l'acier inoxydable vers 310 °C, tandis que les alliages de titane peuvent conserver des propriétés mécaniques utiles à près de 500 °C. À une vitesse d'environ Mach 2,7, la surface d'un avion peut atteindre 230 °C, température à laquelle les alliages d'aluminium et de magnésium peuvent devenir inadaptés. Les alliages de titane sont utilisés dans les disques et les aubes des compresseurs de moteurs d'avion, ainsi que dans le revêtement de la partie arrière du fuselage.

4. Bonnes performances à basse température

Pour certains alliages de titane, tels que le Ti-5Al-2,5Sn ELI, la résistance augmente à mesure que la température baisse, tandis que la ductilité ne diminue que légèrement. Leur ductilité et leur ténacité à basse température permettent leur utilisation dans les moteurs-fusées à hydrogène liquide et à oxygène liquide, ainsi que dans les réservoirs et cuves cryogéniques destinés aux engins spatiaux habités.

5. Comportement non magnétique

Le titane est amagnétique. Utilisé dans la construction des coques de sous-marins, il ne déclenche pas les mines magnétiques.

6. Faible conductivité thermique

La conductivité thermique du titane est d'environ un cinquième de celle de l'acier, un treizième de celle de l'aluminium et un vingt-cinquième de celle du cuivre. Cette faible conductivité thermique constitue un inconvénient dans certaines applications.

7. Faible module d'élasticité

Le titane présente un module d'élasticité d'environ 55% de celui de l'acier. Pour les applications structurelles, ce module relativement faible peut constituer un inconvénient.

8. La résistance à la traction est proche de la limite d’élasticité

Dans l'exemple cité du Ti-6Al-4V, la résistance à la traction est de 960 MPa et la limite d'élasticité de 892 MPa, soit un écart de seulement 68 MPa.

9. Le titane s'oxyde facilement à haute température

Le titane présente une forte affinité pour l'hydrogène et l'oxygène ; il est donc nécessaire de contrôler l'oxydation et l'absorption d'hydrogène. Le soudage nécessite une protection à l'argon. Les tubes et les tôles en titane sont soumis à un traitement thermique sous vide, tandis que les pièces forgées en titane nécessitent un contrôle rigoureux de l'atmosphère du four, qui doit être légèrement oxydante.

10. Faible capacité d'amortissement

Si des cloches de forme et de taille identiques sont fabriquées en titane, en cuivre et en acier, et frappées avec la même force, celle en titane résonne plus longtemps. L'énergie d'impact se dissipe lentement, ce qui indique une faible capacité d'amortissement.

Classification des alliages de titane moulés

Les 12 nuances de titane coulé présentées ci-dessous sont regroupées en fonction de leur microstructure après recuit. La désignation « ZT » identifie le titane coulé dans le système de désignation chinois. Les normes nationales chinoises citées sont les suivantes : GB/T 6614-2014, Pièces moulées en titane et en alliages de titane, et GB/T 15073-2014, Titane moulé et alliages de titane.

Composition chimique du titane moulé et des alliages de titane

Le tableau de composition ci-dessous est tiré de la norme GB/T 6614-2014 ; ses limites s'appliquent aux nuances de fonte et aux conditions présentées ici.

Remarques : Les autres éléments sont des oligo-éléments naturellement présents lors de la production par moulage du titane ; ils comprennent généralement l'Al, le V, le Sn, le Mo, le Cr, le Mn, le Zr, le Ni, le Cu, le Si, le Nb et le Y, à l'exclusion des éléments d'alliage ajoutés intentionnellement dans la nuance. Les limites individuelles et totales pour ces autres éléments ne sont analysées que si l'acheteur l'exige.

Propriétés mécaniques du titane moulé et des alliages de titane

Le tableau ci-dessous, qui présente la composition et les propriétés mécaniques, est tiré de la norme GB/T 15073-2014 ; les valeurs qu'il contient ne constituent pas des limites universelles applicables à tous les produits en titane moulé.

1. alliages de titane de type α. La structure recuite est entièrement constituée de phase α. Ces matériaux présentent une bonne stabilité structurelle à haute température et constituent la base des alliages de titane résistants à la chaleur, bien que leur résistance à température ambiante ne soit pas très élevée. Le titane commercialement pur est également un matériau de type α.
2. Alliages de titane α+β. La structure recuite comprend des phases α et β. Ces alliages peuvent être renforcés par traitement thermique et présentent une résistance mécanique relativement élevée ainsi qu’une bonne résistance thermique entre 400 et 450 °C. À des températures plus élevées, leur stabilité structurelle et leur soudabilité sont inférieures à celles des alliages α.
3. Alliages de titane de type β. La structure après recuit est de phase β. La trempe et le revenu permettent d'obtenir des propriétés mécaniques élevées.

Alliages de titane moulés de type α

Pièces moulées en titane de pureté commerciale

Les pièces moulées en titane commercialement pur comprennent les nuances ZTA1 (nuance chinoise de titane CP pour moulage), ZTA2 (nuance chinoise de titane CP pour moulage) et ZTA3 (nuance chinoise de titane CP pour moulage). La première de ces nuances présente la plus faible teneur en impuretés et, par conséquent, une ductilité plus élevée mais une résistance plus faible. La troisième contient davantage d’impuretés et présente donc une résistance plus élevée, mais une ductilité moindre. La structure à l’état brut de coulée est entièrement constituée de phase α avec des grains de Widmanstätten grossiers ; le recuit produit une structure équiaxe.

Le comportement à la coulée s'apparente à celui d'un métal pur. La fluidité est bonne, le retrait dispersé est limité, des cavités de retrait concentrées peuvent se former et le risque de fissuration à chaud est faible. Les pièces moulées en titane CP présentent une résistance modérée, une bonne ductilité, ainsi qu'une bonne coulabilité, une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabilité. Elles peuvent fonctionner pendant de longues périodes à 300 °C.

Alliage de titane moulé Ti-5Al-2.5Sn

L'alliage de titane coulé Ti-5Al-2,5Sn est un alliage α monophasé de résistance moyenne, contenant de l'aluminium 5% comme stabilisateur α et 2,5% d'étain comme élément neutre. Il présente une bonne résistance aux températures élevées et une bonne soudabilité par fusion. Il ne peut pas être durci par traitement thermique et est généralement utilisé à l'état recuit. Sa ductilité de mise en œuvre étant relativement faible, le formage des tôles nécessite un préchauffage.

Parmi ses applications, on peut citer les coques et les panneaux de carénage. Les températures de fonctionnement indiquées pour cet alliage vont jusqu’à 500 °C en service continu et jusqu’à 800 °C en service intermittent.

Titane coulé Ti-0.2Pd

Le titane coulé Ti-0,2Pd est un matériau de type α résistant à la corrosion, obtenu en ajoutant une faible quantité de palladium à du titane commercialement pur. Le palladium améliore la résistance à la corrosion aussi bien dans les milieux réducteurs que dans les milieux oxydants. Dans les milieux chauds et riches en chlorure, ce matériau coulé est réputé pour sa résistance particulièrement élevée à la corrosion interstitielle.

Le titane coulé Ti-0,2Pd présente des applications similaires à celles des pièces moulées en titane CP, mais son coût est plus élevé en raison de l'ajout de palladium ; il est donc choisi lorsque le titane commercialement pur ne peut pas répondre aux exigences d'utilisation. Ses applications comprennent les environnements contenant de l'acide chlorhydrique, sulfurique et phosphorique dilués ; les équipements en titane résistants à la corrosion interstitielle ; les échangeurs de chaleur à calandre et tubes ; les filières textiles ; les revêtements de brides dans les usines d'acétaldéhyde ; ainsi que les brides, les raccords et autres composants présentant des interstices.

Alliage de titane coulé Ti-0.3Mo-0.8Ni

L'alliage de titane coulé Ti-0,3Mo-0,8Ni est un alliage quasi-α résistant à la corrosion, développé pour améliorer la résistance à la corrosion interstitielle du titane pur. Sa teneur en Mo (0,3%) et en Ni (0,8%) renforce l’alliage et améliore sa résistance aux milieux chlorurés chauds à faible pH ainsi qu’aux acides légèrement réducteurs. Sa résistance à la corrosion est nettement supérieure à celle du titane pur et proche de celle de l’alliage de titane coulé Ti-0,2Pd. Il présente également une bonne ductilité de mise en œuvre et une bonne soudabilité, et est largement utilisé dans l'industrie chimique.

Alliage de titane coulé Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

La composition indiquée pour cet alliage à haute teneur en aluminium de type « near-α » est de 6,58% d'Al et 1,46% de Mo. Il allie la résistance à haute température et la soudabilité des alliages α à une ductilité de mise en œuvre proche de celle des alliages α+β. La température de fonctionnement à long terme indiquée est de 500 °C pendant 3 000 h, avec une exposition momentanée pouvant atteindre 800 °C pendant 5 min au maximum. À 450 °C, la durée de vie indiquée atteint 6 000 h.

Parmi les applications, on peut citer les pièces structurelles et les éléments porteurs soudés fonctionnant à des températures inférieures à 500 °C, les aubes et carters de moteurs, les pièces de tôlerie aéronautique, les poutres, les assemblages, les grands panneaux, les châssis porteurs soudés, d’autres structures soudées et les pièces moulées.

Alliage de titane coulé Ti-4Al-2V

L'alliage de titane moulé Ti-4Al-2V présente de bonnes propriétés mécaniques à température ambiante et à haute température, ainsi qu'une bonne résistance à la fatigue, à la propagation des fissures, aux chocs et à la corrosion dans divers milieux. Il est soudable et peut être formé à chaud ou à froid.

Parmi les applications, on peut citer les réservoirs sous pression pour missiles et les carters de moteurs-fusées ; les disques, aubes, entretoises, écrans, revêtements, nervures, âmes, ailes, poutres, stabilisateurs horizontaux, moyeux de rotor, trains d'atterrissage, poutres de soutien et moyeux de roue pour avions ; les hydroptères marins, les équipements de propulsion et les munitions ; ainsi que les aubes de turbines à vapeur, les disques de compresseurs axiaux et radiaux, les ressorts résistants à la corrosion et les bielles de moteurs à combustion interne.

Alliages de titane moulés de type α+β

Alliage de titane coulé Ti-6Al-4V

L'alliage de titane moulé Ti-6Al-4V est considéré comme l'un des premiers alliages de titane et l'un des plus largement utilisés. L'aluminium renforce la phase α par solution solide et améliore la résistance à température ambiante et à haute température. Le vanadium augmente la résistance et améliore la ductilité. Il empêche également la formation de la phase α₂ phase ordonnée, ce qui réduit le risque de fragilisation à long terme.

Cet alliage allie d'excellentes performances mécaniques à de bonnes caractéristiques de mise en œuvre et à une formabilité superplastique. Il peut être mis en forme par divers procédés de travail sous pression et soudé selon plusieurs procédés. Les demi-produits courants comprennent les barres, les pièces forgées, les tôles fines et épaisses, les profilés et les fils. Il est principalement utilisé à l'état recuit, mais peut également subir un traitement de mise en solution et un vieillissement.

Dans le secteur aérospatial, on le retrouve notamment dans les poutres et châssis d’avions, les rails, les poutres de train d’atterrissage, les disques et aubes de soufflantes et de compresseurs, les coques de fusées, les récipients sous pression et les éléments de fixation. Le remplacement de l’acier de construction 30CrMnSiA permet de réduire le poids des composants d’environ 30%. Les applications civiles comprennent les aubes de turbines à gaz, les hélices marines, les plates-formes de forage offshore, les pompes résistantes à la corrosion, les implants médicaux et les articles de sport. Le Ti-6Al-4V non moulé est également utilisé pour les châssis automobiles, les vilebrequins, les bielles, les boulons, les soupapes d'admission et les ressorts de suspension.

Alliage de titane coulé Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo

Cet alliage allie une résistance mécanique élevée, une grande ténacité, une bonne tolérance aux dommages et une bonne soudabilité ; il peut être utilisé pendant de longues périodes à des températures inférieures à 500 °C. Les applications décrites comprennent des composants structurels destinés à l’aérospatiale et au secteur civil ; les barres, les pièces forgées et les tôles épaisses figurent également parmi les principales formes de produits semi-finis. Ces formes de produits corroyés se distinguent des matériaux moulés abordés dans cette section.

Alliages de titane moulés de type β

L'alliage de titane coulé Ti-32Mo Beta offre une très grande résistance à la corrosion et peut être soudé selon différentes méthodes, mais il n'est pas considéré comme pouvant faire l'objet d'un traitement thermique de renforcement. Sa forte teneur en molybdène complique la fusion et augmente sa densité à 5,69 g/cm³, réduit le module d'élasticité et provoque une oxydation importante lorsqu'il est chauffé à l'air à des températures supérieures à 500 °C. Il est donc principalement utilisé pour la fabrication de pompes moulées, de vannes et de composants similaires exposés à des acides forts.

Comportement de coulée et défauts courants

Les éléments d'alliage élargissent généralement la plage de températures de solidification et réduisent la fluidité. L'augmentation de la teneur en aluminium, en revanche, fait augmenter la chaleur de cristallisation et peut améliorer la fluidité. L'ajout de 10% Al en masse fait passer la chaleur de cristallisation de 327 J/g à 435 J/g. L'alliage de titane coulé bêta Ti-32Mo contient du Mo 31%-35%, présente un large intervalle de solidification et une fluidité médiocre, et ne convient pas aux pièces moulées à parois minces.

Les cavités de retrait concentrées occupent environ 1% en volume dans le titane commercialement pur. Pour une teneur en éléments d'alliage de 10% en masse, la fraction volumique de retrait concentré est comprise entre environ 0,5% et 1,5%. Dans les alliages présentant un large intervalle de solidification, les cavités de retrait formées pendant la solidification peuvent être remplies par du gaz provenant du liquide résiduel, ce qui entraîne la formation de cavités de retrait dues au gaz. Les pièces moulées en alliage de titane ont une forte tendance à présenter ce défaut. La porosité de retrait dispersée augmente également à mesure que l’intervalle de solidification s’élargit.

Le titane commercialement pur présente une contraction linéaire comprise entre 1,01 TP33T et 1,11 TP33T. La contraction des alliages de titane augmente avec la teneur en aluminium. Le faible module d’élasticité et le faible coefficient de dilatation thermique, associés à une résistance relativement élevée à haute température, confèrent aux alliages de titane une bonne résistance à la fissuration à chaud. Les fissures de surface à froid sont liées à des réactions entre le titane en fusion et le moule lors de la coulée, ou à des réactions avec des impuretés gazeuses à la surface de la pièce moulée et dans les interstices, qui forment une couche α fragile enrichie en oxygène. Cette couche superficielle fragile est sujette à l'apparition de fissures de surface à froid.