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Titane et alliages de titane

Tout le monde connait le titane et ses principales caractéristiques : léger, résistant à la corrosion, avec de bonnes caractéristiques mécaniques, et... cher ! Quoique ce dernier point soit une fausse idée reçue...
Un petit tour d'horizon du titane et ses alliages dans l'industrie !

Généralités

Le titane est utilisé à 95% sous forme d’oxyde de titane, un pigment utilisé dans les peintures et les revêtements (56%), les matières plastiques et les caoutchoucs (24%), le papier, les encres. On s’en sert notamment comme agent de blanchiment dans les peintures et le papier.
Les 5% restants sont utilisés sous forme de métal (Ti Métal) pour des applications industrielles.

Le titane est surtout utilisé comme alliage léger et résistant dans :

Les caractéristiques du titane sont principalement :

La résistance à la corrosion du titane est due à l’oxydation de la surface qui se reproduit naturellement en cas de rayure par exemple. Dans l’eau naturelle, dans l’eau de mer, sous la vapeur d’eau, le titane est complètement résistant même en cas d’élévation de la température. A partir de 90°, le film d’oxyde s’épaissit.

En ce qui concerne son prix, le titane est considéré comme étant cher, mais c'est souvent une fausse idée reçue. Déjà, le coût de matière pure est en baisse depuis plusieurs années. Ensuite, les caractéristiques intéressantes du titane permettent sur certaines installations d'être moins cher qu'avec de l'acier : en effet, malgré le coût matière, il n'y a pas besoin de traitement de protection, la maintenance est réduite, et l'installation complète est plus légère...

Nuances

Il existe de nombreux alliages de titane, mais les plus utilisés dans l’industrie sont le TA6V qui représente 50% du marché et le T40.

TA6V

Le TA6V (Ti-6Al-4V) est un titane chargé à 6% aluminium et 4% de vanadium. L’aluminium apporte l’amélioration de la résistance et une baisse de la ductilité. Le vanadium augmente la ductilité. La norme ASTM désigne cet alliage sous le nom Grade 5. Il a un très bon rapport résistance/densité et une assez bonne soudabilité.

Le TA6V Eli (Extra-low Interstitial) a la même composition qu'un TA6V. Implantable et bio-compatible, il doit répondre aux normes médicales ISO 5832-3 et ASTM F136 (produits corroyés pour implants chirurgicaux). Il est connu également sous l'ASTM B348 Grade 23. Il est surtout utilisé dans le secteur médical (implants chirurgicaux et dentaires) mais on le retrouve aussi dans l'industrie. Par rapport à un TA6V classique, il a une meilleure tenue en cryogénie et aux chocs, mais les autres caractéristiques sont très proches.

T40

Le T40 est un titane pur avec quelques éléments additionnels (oxygène, carbone, azote, fer). Il est utilisé dans l’industrie pour son équilibre ductilité-formabilité à froid et sa résistance. Sa soudabilité est excellente.

Caractéristiques physiques et mécaniques

Selon les fournisseurs, vous trouverez le plus souvent le titane et ses alliages sous leur désignation "classique" (type TA6V) ou sous leur désignation en "Grade".

ASTMNuanceRésistance mécanique Rm (Mpa)Limite élastique Re (Mpa)Elongation A%DuretéModule d'élasticité en traction (Gpa)Module d'élasticité en torsion (Gpa)Densité Kg/dm3
Grade 1T352401702570 HRB103414,51
Grade 2T403452752082 HRB103414,51
Grade 3T504503801890 HRB103434,51
Grade 4T6055048515100 HRB105454,54
Grade 5TA6V8958251033 HRC114424,43
Grade 6Ti5Al2,5Sn8257951034 HRC110484,48
Grade 7T40 Pd3452752082 HRB103414,51
Grade 9Ti3Al2,5V6204851525 HRC107444,48
Grade 11T35 Pd2401702470 HRB103414,51
Grade 12Ti0,3Mo0,8Ni4853451888 HRB103434,51
Grade 23TA6V Eli8607951032 HRC114434,43

L’usinage du titane

On usine les titanes avec des vitesses de coupe faibles pour éviter l’échauffement de la matière et des modifications structurales.

Des sociétés sont spécialisées dans l’usinage chimique du titane. Ce procédé vise à tremper les pièces dans des bains d’acide fluorhydrique et d’acide nitrique pour les décaper (décrassage, nettoyage chimique) ou réduire l’épaisseur sur tout ou partie de la pièce pour réduire son poids.

Désignations

Pour les titanes non-alliés, la norme française AIR 9182 désigne les titanes avec la lettre T suivie d’un nombre à deux chiffres exprimant le niveau moyen de résistance à la traction Rm exprimée en hbar où 1hbar équivaut à 10 MPA et 10 N /mm².

Exemples :
T-40 avec un Rm moyen de 400 N/mm² (392 à 539 N/mm ²)
T-60 avec un Rm moyen de 600 N/mm² (588 à 735 N/mm ²)

Pour les alliages de titane, c’est le document ISO 1092-1981 qui est utilisé. Elle a été reprise par la norme allemande DIN (Deutsches Institut für Normung). La désignation commence par le symbole chimique du titane Ti suivi de lettres et de chiffres qui correspondent aux éléments d’alliage et de leur teneur. Exemple Ti-6Al-4V avec 6% d’aluminium et 4% de vanadium. La norme française Air 9183 désigne cet alliage sous le nom TA6V, la norme américaine ASTM sous le nom Grade 5.

Normalisation

Les normes utilisées sont nombreuses pour ce métal et doivent être spécifiées par l’acheteur. Elles définissent principalement l’alliage adapté à l’utilisation souhaitée:

Normes américaines

Mil specifications pour des applications militaires, AMS (Aerospace materials specifications) pour des applications aéronautiques et spatiales, ASTM specifications qui est un organisme américain qui produit des normes techniques. Ainsi, les normes les plus courantes pour le T40 sont l’ASTM B265 et F67, l’AMS 4901 et 4902. Pour le TA6V, les normes les plus courantes sont l’AMS (Aerospace Material Specification) 4911 pour les tôles et 4928 pour les barres, l'ABS 5453 et l'ASNA 3307 selon les diamètres. La matière peut être recuite ou traitée. Si elle est traitée, l'ASNA 3306 (diamètre inférieur à 50mm) et l'AMS 4965 sont demandées dans le secteur aéronautique.

Normes françaises

Il existait deux normes AIR : Air 9182 pour les tôles en titane non-allié (T40) et Air 9183 pour les barres, billettes, pièces forgées, coulées en alliages de titane. Elles ont été déclassées en 1990 et remplacées par l'EN4800.
Les normes AIR avaient été élaborées pour fixer les conditions que l'Etat impose dans les contrats aux industriels. La plupart des normes AIR sont maintenant fermées et ont été remplacées par des normes européennes ou de l'OTAN.
De même, les normes GAM MM (Guerre Air Mer Matériaux Métalliques) sont maintenant déclassées (valable uniquement pour le matériel en service).
Les demandes d'Airbus sont sous l'ABS 5453 pour les barres en TA6V. Les demandes de tôles titane TA6V pour AIRBUS sont sous l'ABS5125 A, B ou C et renvoient à l'EN3848 Aerospace Series; Semi-finished metallic products; method of measuring form deviation

Production et recyclage

Le titane est le 4ème élément le plus abondant sur l’écorce terrestre. Il est extrait de minerais (ilménite et rutile) pour produire des éponges de titane. L’éponge est concassée, broyée puis fondue par différents procédés pour produire des lingots qui sont ensuite transformés par forgeage à chaud et usinage. On forme ainsi des demi-produits longs (barres), des demi-produits plats (tôles) et des produits finis (bobines, câbles, feuilles…). D’autres techniques comme la métallurgie des poudres par compression de la poudre ou la fabrication additive (addition de couches successives de fil de titane) permettent d’obtenir des pièces proches des côtes finies. On distingue les éponges CP Commercialy Pure (titane pur ou faiblement allié) et les éponges PQ Premium Quality. Les meilleures éponges sont utilisées dans l’aéronautique pour les pièces les plus critiques notamment les pièces tournantes dans les turboréacteurs. Des éponges de très haute pureté servent également pour des applications électroniques.

En ce qui concerne le recyclage, la France montre l’exemple. Ecotitanium a inauguré le 15 septembre 2017 la première usine européenne d’élaboration d’alliages de titane de qualité aéronautique à partir de chutes de fabrication et de copeaux de titane (scraps).
Mais ce sont bien les Américains qui sont leaders dans le domaine du recyclage du titane et les scraps européens sont exportés aux USA pour y être recyclés.



Article rédigé par Frédéric Crespel, spécialiste des métaux et fondateur de aciersspeciaux.fr

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