Classification, Caractéristiques et Applications des Alliages de Titane

Le titane est l’un des métaux les plus résistants. En raison de sa résistance à la corrosion, il est largement utilisé. De nombreux fabricants utilisent du titane pur avec d’autres éléments d’alliage. Cependant, ce métal est le moins bien compris. Les gens ne connaissent pas la classification, les caractéristiques et les applications des alliages de titane.

 

Bien qu’il s’agisse d’un excellent matériau, le titane reste énigmatique. La principale raison en est sa rareté et son prix élevé. Les fabricants ne l’utilisent pas dans les processus de fabrication de routine. Cependant, ce matériau présente d’excellentes caractéristiques et utilisations.

 

L’une des caractéristiques remarquables du titane est sa résistance et son faible poids. Par conséquent, son utilisation est standard dans l’industrie aérospatiale. Les fabricants utilisent également leurs alliages pour obtenir les propriétés souhaitées. Explorons en détail l’étendue de ce métal remarquable.

 

Présentation du titane et de ses alliages

Le titane est un métal très léger et unique. C’est le neuvième plus grand matériau présent dans notre croûte terrestre. Cependant, la popularité du métal est due à sa robustesse et à sa résistance à la rouille. Les pièces fabriquées avec ce matériau peuvent résister aux conditions salées et humides.

 

Il est important de noter que le titane n’est pas un métal nouveau. Il est apparu pour la première fois en 1791. Le minéralogiste britannique William Gregor a été le premier à travailler sur ce métal. La découverte du titane est associée aux travaux de William Gregor. Le titane a été trouvé, mais sa quantité était maigre.

 

Contrairement au magnésium ou à l’aluminium, le titane n’est pas abondant. Les alliages de titane n’étaient pas immédiatement connus. Un alliage de titane appelé Ti-6Al-4V a été produit dans les années 1940. Cela indique le temps qu’il a fallu pour trouver des alliages après la découverte du titane pur. Néanmoins, il s’agissait d’une découverte importante qui a enthousiasmé de nombreux fabricants.

 

Comme je l’ai dit, le titane présente de nombreuses caractéristiques précieuses qui le distinguent. Ces caractéristiques comprennent la résistance, le faible poids et la protection contre la rouille. Par conséquent, les fabricants utilisent agressivement le titane dans l’aérospatiale et l’automobile. En fait, en raison de la protection contre la rouille, son utilisation dans l’industrie maritime est également courante. Les alliages de titane sont devenus une denrée très prisée dans différents secteurs.

 

Caractéristiques des alliages de titane

Les performances du titane sont déterminées par sa teneur en impuretés. Le titane pur est différent du titane impur. Les impuretés peuvent être du carbone, de l’azote, de l’hydrogène ou de l’oxygène. De même, les caractéristiques des alliages de titane varient également.

 

L’iodure de titane le plus pur ne contient pas plus de 0,1 % de dao. Cependant, sa résistance et sa plasticité sont faibles. Le titane industriel pur à 99,5 % présente les caractéristiques suivantes :

 

• Densité ρ=4,5 g/centimètre cube
• Le point de fusion est de 1 725 ℃
• Conductivité thermique λ=15,24 W/(mK)
• Résistance à la traction σb=539 MPa
• Allongement δ=25 %, dureté HB195
• Rétrécissement de section ψ=25 %
• Module d’élasticité E=1,078×105 MPa

 

Ces caractéristiques ne sont valables que pour le titane pur. Chaque propriété différera si vous fabriquez un alliage en ajoutant un autre élément. Les fabricants utilisent ces alliages pour obtenir les propriétés souhaitées pour leur travail. Plongeons plus profondément et discutons des caractéristiques importantes du titane.

 

1- Haute résistance

 

La densité de l’alliage de titane est d’environ 4,51 g/cm³, ce qui ne représente que 60 % de l’acier. La densité du titane pur est proche de celle de l’acier ordinaire. Certains alliages de titane à haute résistance dépassent la résistance des alliages d’acier de construction.

 

Ces alliages ont un rapport résistance/densité plus élevé que les autres matériaux de construction. Ainsi, ils peuvent produire des pièces à haute résistance unitaire, à bonne rigidité et légères. Les composants du moteur, le squelette et le train d’atterrissage de l’avion utilisent tous des alliages de titane.

 

2- Intensité thermique élevée

 

La température de service est de plusieurs centaines de degrés supérieure à celle de l’alliage d’aluminium. Il peut toujours maintenir la résistance requise à des températures moyennes. Il peut fonctionner longtemps à une température de 450 à 500 ℃.

 

La résistance spécifique de l’alliage d’aluminium diminue considérablement à 150 degrés Celsius. La température de travail lors de l’usinage de l’alliage de titane peut atteindre 500 ℃, ce qui est très élevé. Elle est supérieure à celle de l’alliage d’aluminium, dont la température reste inférieure à 200 ℃.

 

3- Bonne résistance à la corrosion

L’alliage de titane fonctionne dans une atmosphère humide et dans un milieu marin. Sa résistance à la corrosion est bien meilleure que celle de l’acier inoxydable. Il est particulièrement résistant aux piqûres, à l’acide et à la corrosion sous contrainte. Ce n’est pas tout, car le titane offre une résistance à d’autres éléments. Ceux-ci comprennent les alcalis, les chlorures, le chlore, les substances organiques, l’acide nitrique et l’acide sulfurique. Sa résistance à la corrosion est incomparable, ce qui permet au titane de gagner la vedette.

 

4- Bonnes performances à basse température

 

Les alliages de titane peuvent conserver leurs propriétés mécaniques à des températures basses et ultra-basses. Les alliages comme le TA7 ont des éléments interstitiels déficients. Ils peuvent conserver une certaine plasticité même à -253 degrés Celsius. Pour cette raison, l’alliage de titane est un matériau essentiel pour les structures à basse température.

 

5- Activité chimique élevée

 

Le titane a une activité chimique élevée dans toutes les conditions. Il produit des réactions chimiques solides avec O, N, H, CO, CO2, la vapeur d’eau et l’ammoniac. Lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,2 %, il forme du TiC dur dans l’alliage de titane. La réaction avec N forme une couche superficielle dure de TiN à haute température.

 

Lorsque la température est supérieure à 600℃, le titane absorbe l’oxygène pour former une couche durcie. L’augmentation de la teneur en hydrogène créera également une couche de fragilisation. Le processus d’absorption de gaz peut durcir une couche superficielle jusqu’à 0,1-0,15 mm de profondeur. Sa dureté augmente de 20 à 30 %. Le titane a une affinité chimique élevée et adhère à la surface de friction.

 

6- Faible conductivité thermique

 

La conductivité thermique du titane λ=15,24 W/(m·K) est d’environ 1/4 de nickel, 1/5 de fer et 1/14 d’aluminium. Les alliages de titane ont une conductivité environ 50 % inférieure à celle du titane. Le module d’élasticité de l’alliage de titane est environ la moitié de celui de l’acier, il a donc une faible rigidité et est facile à déformer.

 

Il ne convient pas à la fabrication de tiges fines et de pièces à parois minces. Le retour élastique de la surface traitée pendant la coupe est très important. La question est : de combien ? Il est environ 2 à 3 fois supérieur à celui de l’acier inoxydable. Cela provoque une friction, une adhérence et une usure adhésive importantes sur le flanc de l’outil.

 

Classification des alliages de titane

 

Il existe généralement différentes qualités d’alliages de titane. Cependant, tous les alliages appartiennent à trois catégories : les alliages alpha, bêta et alpha-bêta. Si l’élément d’alliage est l’oxygène ou l’aluminium, l’alliage de titane sera un alliage alpha.

 

Si l’élément d’alliage est le vanadium et le molybdène, l’alliage de titane sera de catégorie bêta. Les alliages alpha-bêta se situent à mi-chemin entre les alliages alpha et bêta. Chacune de ces catégories possède des propriétés différentes. Voici le tableau montrant leurs différences importantes :

 

Alliages alpha (α)	Alliages bêta (β)	Alliages alpha-bêta
Titane avec des éléments comme l’aluminium et l’oxygène.	Éléments d’alliage comme le vanadium, le molybdène, le chrome.	Il est intermédiaire entre alpha et bêta.
Non traitable thermiquement, excellente résistance à la corrosion.	Traitable thermiquement, excellente formabilité.	Traitable thermiquement et propriétés équilibrées.
Excellente soudabilité et résistance aux hautes températures.	Bonne soudabilité, la résistance à la température est inférieure à celle de l’alpha.	Résistance à température modérée à élevée.

 

Ces alliages se divisent et se subdivisent davantage. Vous verrez de nombreuses qualités différentes de chaque alliage de titane. Toutes ces qualités sont communes à de nombreuses industries. Cependant, j’ai remarqué que les secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile en dépendent fortement. La raison en est leur nature légère et robuste.

 

Tableau de comparaison des nuances de titane et d’alliage de titane couramment utilisées dans divers pays

Numbering	China GB/T	International standard ISO	USA ASTM	Russia TOCT	France NF	Germany DIN	Japan JIS
1	TA1	Grade1	GradeF1	BT1-00	T40	Ti1	Level 1
2	TA2	Grade2	GradeF2	BT1-0	T40	Ti3	Level 2
3	TA3	Grade4A/4B	GradeF3	BT1-0	T40	Ti4	Level 2
4	TA4	Grade3	GradeF4	BT1-0	T40	Ti4	Level 3
5	TC4	TiAl6v4	GradeF5	BT6	TA6V	TiAl6V4	YATB640
6	TC11	–	–	BT9	–	–	–

 

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Nom du matériau	Chinese standard	USA standard
Feuille d’alliage de titane et de titane	GB/T3621	ASTM B265
Barres en titane et alliage de titane	GB/T2965	ASTM B348
Tube en alliage de titane et de titane	GB/T3624	ASTM B337
Tubes en titane et alliage de titane pour échangeurs de chaleur et condenseurs	GB/T3625	ASTM B338
Bandes et feuilles en titane et alliage de titane	GB/T3622	ASTM B265
Gâteaux et anneaux en titane et alliage de titane	GB/T16598	ASTM B381
Fil d’alliage de titane et de titane	GB/T3623	ASTM B863
Matériaux traités en titane et alliage de titane pour implants chirurgicaux	GB/13810	ASTM F67
		ASTM F136

Nuances de titane et d’alliage de titane couramment utilisées et composition chimique （GB / T 3620.1-2007）

Alloy grade

Groupe de composition chimique

Main ingredients/%

Ti

Al

Sn

Mo

V

Cr

Fe

Mn

Zr

Pd

Chinese standard

USA standard

Russia standard

Japan Standard

TA1ELI

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA1

GR1

BT1-0

TP270

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA1-1

GR1

BT1-00

Titane pur industriel

≤0.20

–

–

–

–

–

–

–

–

TA2ELI

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA2

GR2

TP340

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA3ELI

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA3

GR3

TP450

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA4ELI

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TA4

GR4

TP550

Titane pur industriel

–

–

–

–

–

–

–

–

–

TC4ELI

Ti-6Al-4VELI

5.5～6.5

–

–

3.5～4.4

–

–

–

–

–

TC4

GR5

BT6

TAP6400

Ti-6Al-4V

5.5～6.75

–

–

3.5～4.5

–

–

–

–

–

TA9

GR7

TP340Pb

Ti-0.2Pd

–

–

–

–

–

–

–

–

0.12～0.25

TA9-1

GR11

Ti-0.3Pd

–

–

–

–

–

–

–

–

0.12～0.26

TA18

GR9

OT4-B

TAP3250

Ti-3Al-2.5V

2.0～3.5

–

–

1.5～3.0

–

–

–

–

–

TA10

GR12

Ti-0.3Mo-0.8Ni

–

–

0.2～0.4

–

–

–

–

–

–

 

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Main ingredients/%					Impurities, not more than/%
Ni	Cu	Nb	Si	B	Fe	C	N	H	O	Other elements
										single	total
–	–	–	–	–	0.1	0.03	0.012	0.008	0.1	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.2	0.08	0.03	0.015	0.18	0.1	0.4
–	–	–	≤0.08	–	0.15	0.05	0.03	0.003	0.12	–	0.1
–	–	–	–	–	0.2	0.05	0.03	0.008	0.1	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.03	0.015	0.25	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.25	0.05	0.04	0.008	0.18	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.05	0.015	0.35	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.3	0.05	0.05	0.008	0.25	0.05	0.2
–	–	–	–	–	0.5	0.08	0.05	0.015	0.4	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.25	0.08	0.03	0.012	0.13	0.1	0.3
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.05	0.015	0.2	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.3	0.08	0.03	0.015	0.25	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.2	0.08	0.03	0.015	0.18	0.1	0.4
–	–	–	–	–	0.25	0.08	0.05	0.015	0.12	0.1	0.3
0.6～0.9	–	–	–	–	0.3	0.08	0.03	0.015	0.25	0.1	0.4

 

Utilisation des alliages de titane

 

Il existe de nombreuses applications du titane. Ce métal est solide et résistant à la corrosion. Il offre de nombreux avantages précieux que les fabricants ne peuvent pas éviter d’utiliser. Par exemple, son poids léger le rend adapté aux industries aérospatiales. D’un autre côté, sa résistance à la rouille le distingue dans l’industrie maritime. Plongeons-nous dans les différentes utilisations des alliages de titane.

 

1- Industrie aérospatiale

 

Dans l’industrie aérospatiale, les ingénieurs cherchent à améliorer l’aérodynamisme. Ils utilisent donc un matériau léger. Mais ces matériaux ne sont pas très durables. Dans de tels cas, le titane est utile. Il est léger, solide et durable, ce qui rend l’avion parfait sur le plan aérodynamique.

 

Les fabricants l’utilisent pour fabriquer de nombreux composants d’avion. Les exemples incluent les cellules, les trains d’atterrissage et les structures d’ailes. De nombreux composants de moteur utilisent également différents alliages de titane. Les pales, les disques, les pièces moulées, etc., dépendent fortement de ce matériau. Ces pièces peuvent également supporter des températures élevées, ce qui les distingue.

 

2- Industrie médicale

 

En parlant des caractéristiques, j’ai mentionné que le titane n’est pas nocif pour les humains. Même s’il reste à l’intérieur du corps humain, il ne provoque pas de toxicité. Ainsi, les fabricants fabriquent des implants dentaires en utilisant un alliage de titane. La capacité de ce matériau à s’intégrer aux tissus vivants le distingue. De nombreux autres instruments médicaux utilisent des alliages de titane.

 

3- Industrie automobile

 

Le titane est très robuste et résistant aux températures élevées. De plus, il est léger et dense. Cela en fait une option idéale pour être utilisé dans l’industrie automobile. Les échappements des véhicules sont fabriqués avec des alliages de titane.

 

Le système d’échappement reste à des températures extrêmement élevées. Le titane résiste aux températures élevées et ne se détériore pas. Cela le rend idéal pour une utilisation dans les composants du moteur. De plus, sa légèreté améliore la consommation de carburant des véhicules.

 

4- Industrie maritime

 

Comme je l’ai dit plus tôt, le titane a une excellente capacité de protection contre la rouille. Il ne rouille pas rapidement, même s’il est utilisé dans des conditions difficiles. Cette caractéristique fait du titane un excellent choix pour l’industrie maritime. Les coques de navires, les hélices, etc., restent dans l’eau de mer salée. Ainsi, l’utilisation du titane pour fabriquer ces composants les empêchera de rouiller pendant longtemps.

 

5- Industrie de la défense militaire

 

Le titane est cher, il n’est donc pas utilisé dans les armures ou les armes. Cependant, les fabricants utilisent également ce matériau pour fabriquer des véhicules militaires. Ces véhicules doivent être résistants aux engins explosifs pour une meilleure sécurité. De plus, les véhicules militaires circulent sur des routes accidentées. Ainsi, les alliages de titane les rendent durables et résistants. De plus, les ingénieurs préfèrent utiliser le titane dans les avions de chasse militaires.

 

Conclusion

 

Le métal titane et ses alliages ne sont pas couramment utilisés. Leurs prix plus élevés les rendent adaptés uniquement aux produits haut de gamme. Cependant, leurs caractéristiques de premier ordre les rendent uniques par rapport aux autres métaux. Tout comme le magnésium, le titane est léger mais très solide et durable. Ce guide explique toutes les caractéristiques du titane. Après avoir lu leurs applications, vous saurez pourquoi de nombreuses industries aiment les alliages de titane.