Quels sont les types d'alliages de titane, leurs traitements thermiques et leurs applications ?

Le titane et les alliages de titane surpassent l'aluminium et les alliages d'aluminium en termes de résistance mécanique, de résistance à la chaleur et de résistance à la corrosion. Ils sont largement utilisés dans l'aviation, l'aérospatiale, l'industrie chimique, la fabrication de missiles et la construction navale. Cependant, le titane devient extrêmement réactif à haute température. La fusion, la coulée, le soudage et le traitement thermique doivent donc être effectués sous vide ou dans une atmosphère inerte. Ces conditions de traitement strictes et les coûts élevés limitent une utilisation plus généralisée.

Titane commercialement pur

Le titane est un métal blanc argenté dont le point de fusion est de 1 680 °C et la densité de 4,5 g/cm³. Il est plus lourd que l'aluminium mais plus léger que l'acier. Sa résistance est environ six fois supérieure à celle de l'aluminium, ce qui lui confère une résistance spécifique élevée. Le titane présente également une grande ductilité, une bonne résistance à la chaleur et un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui limite les contraintes thermiques lors d'une utilisation à haute température ou d'un formage à chaud.

Le titane présente une excellente résistance à la corrosion dans l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l'hydroxyde de sodium et d'autres solutions alcalines, ainsi que dans les environnements humides et l'eau de mer. Il ne résiste toutefois pas à l'acide fluorhydrique. Le titane est stable à l'air libre, car un film d'oxyde dense se forme à sa surface et préserve son éclat métallique. Au-delà de 600 °C, cependant, ce film perd son effet protecteur.

Le titane présente deux formes allotropiques. En dessous de 882,5 °C, la structure stable est celle de l'α-Ti, un réseau hexagonal compact. Entre 882,5 °C et le point de fusion, la structure stable est celle du β-Ti, un réseau cubique centré.

Le titane commercialement pur (titane CP) est classé en différentes nuances en fonction des teneurs admissibles en éléments interstitiels et en impuretés. Ces impuretés influencent la résistance mécanique, la ductilité et la résistance à la corrosion. Les nuances courantes dans les systèmes ASTM comprennent les nuances 1, 2, 3 et 4, et la source identifie la nuance 2 comme l'une des plus largement utilisées pour les applications industrielles générales. Cette déclaration décrit le référentiel international du titane CP et n'établit pas de correspondance biunivoque avec les nuances chinoises de titane CP.

Le titane CP allie une bonne résistance à la corrosion à une résistance mécanique modérée. Il convient aux pièces qui ne nécessitent pas une résistance mécanique très élevée mais qui doivent résister à la corrosion, notamment les revêtements et les structures d'aéronefs, les équipements de traitement chimique, les réacteurs, les échangeurs de chaleur et les installations de dessalement de l'eau de mer.

Le titane CP ne peut généralement pas être renforcé par un traitement thermique classique. Le formage à froid permet toutefois d’augmenter sa résistance. Ses principaux traitements thermiques sont le recuit de recristallisation et le recuit de détente, qui rétablissent la ductilité, réduisent les contraintes résiduelles et améliorent la stabilité dimensionnelle.

Composition, microstructure, classification et désignations

Éléments d'alliage

Des éléments d'alliage sont ajoutés au titane afin d'augmenter sa résistance. Les éléments dissous dans l'α-Ti forment une solution solide α, tandis que ceux dissous dans le β-Ti forment une solution solide β. L'aluminium, le carbone, l'azote, l'oxygène et le bore augmentent la température de transformation allotropique α/β et sont appelés éléments stabilisateurs de l'α. Le fer, le molybdène, le magnésium, le chrome, le manganèse et le vanadium abaissent la température de transformation et sont appelés éléments stabilisateurs de la phase β. L'étain et le zirconium ont peu d'effet sur la température de transformation et sont considérés comme des éléments neutres.

Catégories microstructurales

En fonction de leur microstructure à l'état de service, ou à l'état recuit, les alliages de titane sont classés en alliages α, alliages β, alliages (α+β) et alliages quasi-α contenant une faible quantité de phase β. Les désignations chinoises des alliages utilisent les préfixes TA, TB et TC, suivis d'un numéro, pour ces trois grands groupes d'alliages. En fonction de leurs performances, les alliages de titane peuvent également être classés en alliages à faible, moyenne ou haute résistance.

Traitement thermique des alliages de titane

Recuit de détente

Le recuit de détente permet d'éliminer les contraintes internes générées par l'usinage ou le soudage. La source indique une température typique comprise entre 450 et 650 °C, un temps de maintien de 1 à 4 h et un refroidissement à l'air.

Recuit de recristallisation

Le recuit de recristallisation permet d'éliminer l'écrouissage. Les températures habituelles sont comprises entre 550 et 690 °C pour le titane pur et entre 750 et 800 °C pour les alliages de titane, avec un temps de maintien de 1 à 3 heures suivi d'un refroidissement à l'air.

Trempe et vieillissement

La trempe et le vieillissement augmentent la résistance et la dureté de l'alliage. Les alliages de titane de type α ne font généralement pas l'objet d'une trempe ni d'un vieillissement. Pour les alliages de type β et les alliages (α+β) contenant des teneurs relativement élevées en éléments stabilisants, la température de trempe est généralement choisie dans la partie supérieure de la zone biphasique α+β. La source indique une plage de 760 à 950 °C, un temps de maintien de 5 à 60 minutes et un refroidissement à l'eau.

Après la trempe, il subsiste une certaine quantité de phase α tandis que la phase β devient métastable. Au cours du vieillissement, la phase α dispersée précipite à partir de la phase β métastable, ce qui augmente la résistance et la dureté. La microstructure du Ti-6Al-4V trempé et vieilli contient de la phase α+β en blocs et de la phase α aciculaire. Le chauffage doit empêcher toute contamination, oxydation et surchauffe. Une fois que les grains β ont trop grossi, le traitement thermique ne peut plus rétablir la taille de grain d’origine.

Types courants d'alliages de titane et leurs applications

Alliages de titane de type alpha

Les alliages de titane de type α sont constitués exclusivement d’une solution solide α et présentent donc une bonne ténacité et une bonne ductilité. Ils peuvent être transformés par formage à froid en produits semi-finis tels que des tôles et des barres. Leur microstructure est stable à haute température, avec une bonne résistance à l’oxydation et une bonne résistance à chaud. Entre 500 et 600 °C, leur résistance est la plus élevée parmi les trois principales classes d’alliages de titane, bien que leur résistance à température ambiante soit généralement inférieure à celle des alliages β et (α+β). Un alliage représentatif est le Ti-5Al-2,5Sn, utilisé pour les réservoirs de carburant des missiles et les carters de turbines des avions supersoniques.

Alliages de titane bêta

Les alliages de titane entièrement en phase β sont rarement utilisés dans l'industrie en raison de leur densité relativement élevée, de leur faible résistance à la chaleur et de leur faible résistance à l'oxydation. Au-delà de 700 °C, ils sont facilement contaminés par les gaz d'impuretés présents dans l'atmosphère, et leur processus de fabrication est complexe. Cependant, leur structure cubique à corps centré leur confère une bonne ductilité, ce qui a conduit au développement d’alliages de titane β métastables. L’alliage Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al en est un exemple représentatif. Il est généralement utilisé à des températures inférieures à 350 °C pour des pièces rotatives soumises à de fortes contraintes, telles que les aubes de compresseurs, les arbres et les disques.

Alliages de titane alpha-bêta

Les alliages de titane (α+β) allient les avantages des alliages α et β. Ils offrent une bonne résistance à la chaleur et une bonne ductilité, peuvent être renforcés par traitement thermique et sont relativement simples à fabriquer. Le Ti-6Al-4V est l'alliage le plus couramment utilisé dans ce groupe. Il convient aux composants de moteurs nécessitant une résistance à des températures élevées inférieures à 400 °C, ainsi qu'aux composants de réservoirs de carburant à hydrogène liquide utilisés à basse température dans les fusées et les missiles.

Les turbocompresseurs de moteurs automobiles en alliage de titane et les aubes de moteurs d'avion forgées avec précision en sont des exemples représentatifs.

Compositions, propriétés et utilisations représentatives