1 Les alliages de titane Elisabeth Aeby-Gautier LSG2M CNRS UMR 7584 - Ecole des Mines de Nancy.

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Les alliages de titaneElisabeth Aeby-Gautier

LSG2M CNRS UMR 7584 - Ecole des Mines de Nancy

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PlanIntroduction1 Généralités2 Le titane pur et les familles d’alliages de titane

les éléments d’alliageles titanes CP (commercialement pur), les familles d’alliage : , , métastable

3 Les propriétés des familles d’alliages de titane

propriétés mécaniques propriétés mécaniques spécifiques corrosion bio compatibilité(influence de la microstructure (famille de matériaux))

4 Mise en œuvre - Soudage (quelques points)

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Introduction

Titane et de ses alliages : marché existe depuis les années 50.

Les utilisations du matériau sont en relation avec ses différentes structures, propriétés mécaniquesses propriétés chimiques ses propriétés physiques

Deux qualités technologiques remarquables :

Résistance mécanique spécifique élevée (exprimée selon le quotient résistance à la traction / masse volumique)

Résistance à la corrosion très grande dans différents environnements agressifs (corrosion chimique, résistance à l’oxydation jusque 600°C).

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Métal Demande mondiale (1000

tonnes)

$/tonne

Acier 730.000 400

Aluminium 20.000 1.500

Aciers Inox 13.000 2.000

Titane50

18.000 à 25.000

1. Généralités - Marché du titane

Les minerais de titane sont abondants (9ième élément dans l’écorce terrestre, 3% lune).

Avant 1940 (dépôt de brevet pour la production de titane Procédé KROLL a de réduction par carbo-chloruration de l'oxyde de titane) il n'était pas possible de produire, à des coûts raisonnables

Aujourd'hui son coût unitaire apparaît encore comme élevé et son marché comme limité

(prix à la tonne plutôt qu'en prix au m3 et en tonnage plutôt qu'en volume)

Association titane http://www.titane.asso.fr58 à 69 200564 à 74 2006 150€ kg billette

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MARCHE APPLICATIFCONSOMMATION

Tonnes (mondiale)

AERONAUTIQUE CIVILE14000 - 18000 200320000 - 24000 2005

AERONAUTIQUE MILITAIRE 8000 – 10000 20039000 – 12000 2005

ENERGIE/CHIMIE20000-23000 200322000 – 25000 2005

SPORT & LOISIRS 3000 t

BATIMENT 500 t

MEDICAL 800 t

AUTRES (dont lunetterie) 1000 t

TOTAL48000-58000 2003 58000 – 69000 2005

http://www.titane.asso.fr

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Titane est obtenu à partir de deux minerais

Rutile (forme naturelle du dioxyde de titane 97 à 98.5% TiO2)Ilménite (mélange de titanate et d’oxydes de fer, teneur maximale en Ti 30%)

Élaboration du titane et de ses alliages passe par deux étapes

Métallurgie extractive

Élaboration secondaire d’un lingot

Elaboration VAR (refusion de l’électrode sous vide)

Refusion sur sole froide

1. Généralités - Élaboration

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Refusion de l’électrode sous vide (VAR)

Lingot de diamètre entre 500 et 1000 mmPoids entre 1 et 10 tonnes

Schéma de principe du procédé VAR(Vacuum Arc Remelting)

Yves Combres Techniques de l’Ingénieur

Carte de répartition du molybdène dans un lingot de 3 ten diamètre 660 mm en alliage -CEZ, simulé par le logiciel SOLAR (doc. École des Mines de Nancy / CEZUS France)

8

Refusion sur sole froide (depuis fin des années 1980)

secondary ingot

cold hearth

feed material electron beams

Élaboration complexe. Travail important sur la qualité du métal liquide

et l’homogénéité du lingot (ségrégation, fleck, particules (TiN …)).

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2. Le titane pur et ses alliages

Propriétés physiques du titane pur

Propriété Valeur Unité

Numéro atomique 22 -

Masse atomique 47,9 g

Masse volumique 4,51 g.cm-3

Température de transf. allotropique 882 °C

Température de fusion 1670 °C

Température d’ébullition 3287 °C

Capacité thermique massique 522 J . Kg . K-1

Conductivité thermique 16,7 W . m-1 . K-1

Résistivité électrique à 20°C 47,8 10-8 . m

Coefficient de dilatation linéaire à 20°C

8,5 10-6 K-1

Susceptibilité magnétique 3,2 10-6 cm3 . g-1

Module d’élasticité 110000 MPa

Coefficient de Poisson 0,33 -

2.1 Le titane pur

10

2.1 Le titane pur

Module d’élasticité : 110 000 MPa

Limite d’élasticité : 350 MPa

Contrainte de Rupture : 450 MPa

Allongement à rupture : 28%

Caractéristiques mécaniques du matériau polycristallin

Alliage monocristallin HCP : anisotropie de comportement élastiqueE 145 GPa (direction axe c)E 100 GPa (direction axe a)

Comportement sensible à la texture

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2.1 Le titane pur

Transformation allotropique du titane pur

Le titane pur T> 1 670°C phase β phase liquide

T> 882°C Température de transus β structure CC phase β.

T< 882°C structure hexagonale pseudo compacte

phase (rapport c/a = 1.587

<1.633)

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Le passage de phase β se fait selon le mécanisme proposé par Burgers

Relations d’orientations

de Burgers

[1 1 1] // (2 1 1 0)

(1 1 2) // (0 1 1 0)

(1 1 0) // (0 0 0 1)

882°CT<T T>T

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Microstructure formée au refroidissement :

morphologie lamellaire 12 variants dans un même grain

Texture de transformation

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2.2 Les alliages de titane/les familles d’alliages de Ti

Les éléments d’addition

Les éléments d’addition sont classés en trois groupes alphagènes, bêtagènes ou neutres.

éléments alphagènes stabilisent la phase , augmentent la température T, étendent le domaine de phase

éléments bêtagènes, • les éléments isomorphes, miscibles en toutes proportions dans la phase :

• les éléments eutectoïdes, pouvant former des précipités

éléments neutres, tels que le zirconium (Zr) et l’étain (Sn).

O, N, B, C

H

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Les principales familles d’alliages

Il est usuel de classer les alliages de titane suivant leur composition et les phases dominantes à température ambiante

Selon la nature des phases présentes à la température ambiante à l’état d’utilisation :

alliages constitués de 100 % de phase ;

ex Ti 40 Ti 0.2Fe

TA5E (Ti5%Al 2,5%Sn)

alliages possédant des proportions très variables de phase et ;

alliages contenant 100 % de phase .

La classe des alliages est extrêmement vaste sous-classes

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Les principales familles d’alliages

La classe des alliages

• quasi ou super: alliages possédant de la phase à une teneur de quelques pour-cent (< 5 %)

Ex Ti6242 (Ti6AL2Sn4Zn2Mo) ou IMI 685(TA6Zr5D Ti6Al5Zr0.5Mo0.2Si)

• : alliages dont la teneur en phase est comprise entre 5 et 20 % ;

Ex TA6V4 (Ti6AL4V) Ti6246 (Ti6Al2Sn4Zr6Mo)

• riches : alliages susceptibles de retenir une phase métastable à la température ambiante par refroidissement très rapide (’ ou m qui se transformera, par traitement thermique, en phases et avec des teneurs de phase à l’équilibre voisines de 20 à 25 % ;

Ex : Ti 17 (Ti5Al2Sn2Zr4Mo4Cr) et -Cez (Ti 5Al2Sn4Zr4Mo2Cr1Fe)

• métastables (m) : alliages susceptibles de retenir de la phase métastable à l’ambiante par refroidissement moyennement rapide, cette dernière se transformant en phases et stable avec 25 à 35 % de phase .

Ex : LCB Timet (Ti1.5Al6.8Mo4.5Fe) b 21S (Ti 0.2Al 15Mo2.8Nb) Ti 10-2-3 (Ti3Al10V2Fe)

17

Timet

18

Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane

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Les aluminures de titane

Nouvelle famille (intermétalliques) qui suscitent un grand intérêtIls sont basés sur les composés Ti3Al, TiAl

Structures ordonnées bonne stabilité à haute température, mais fragile à température ambiante

20

Y. Combres Techniques de l’ingénieur

Principales propriétés des familles d’alliage

21

Principales propriétés des familles d’alliage

Type d’alliage

Avantages Inconvénients

quasi (hors TNA)

Bonne stabilité sous contrainte à chaudBonne tenue au fluage jusque vers 650°CEmploi aux températures cryogéniques (nuances ELI)Bonne soudabilité

Ductilité au pliage inférieure à celle des alliages et considérablement plus faible que celle des alliages Transformation à chaud demandant plus de puissance mécaniquePeu de réponses aux TT

Caractéristiques mécaniques élevées par TTAssez bonne ductilité, y compris au pliageBonne stabilité sous contrainte à chaud jusque vers 500°CAssez bonne résistance à l’oxydation

Soudabilité fonction de la nuance et des procédésDuctilité des soudures inférieures à celles des alliages Trempabilité limitéeDuctilité au pliage inférieure à celle des alliages riches Fin de laminage ou de forgeage dans le domaine

riche

métastable

Excellente ductilité et résistance moyenne à l’état trempéPossibilité d’obtention de très hautes résistances, à l’ambiante, éventuellement après conformation à froidTrempabilité élevée

Moins bonne tenue à l’oxydation et au fluageFaible stabilité à chaud sous contrainteTempérature maximale d’emploi 350 à 450°C suivant les alliages

Propriétés des alliages = f (microstructure)Cez : 970 ou 1700MPa Re0.2

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T

(BCC)

(HCP)

métastable

Ms

20°C

O2, N2, B, C, Al

Mo, V, Nb, Ta,

Fe, Cr, Ni, Cu, W, Co% éléments gènes

% éléments gènes

T

Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane

2.2 Les alliages de titane – diagramme d’équilibre

23

Évolution du taux de phase en fonction de la température (~équilibre)

Equilibre thermodynamique : fraction de phase en présence

2.2 Les alliages de titane – diagramme d’équilibre

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Equilibre thermodynamique: composition chimique

2.2 Les alliages de titane

Répartition des éléments d’alliage en fonction de la température Alliage TA6V4

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2.3 Microstructures des alliages de titane

Ti 6242

Ti 6242 MO

Morphologie lamellaireobtenue pat TTM dans le domaine et TT ultérieurs

Morphologie globulaireobtenue par TTM dans le domainebiphasé et TT ultérieurs

à température ambiante alliages constitués de phase

Complexité des microstructures : fonction des TTM

Propriétés : f(microstructures)

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Exemples de morphologies de TA6V

2.3 Microstructures des alliages de titaneMicrostructures types

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Coexistence de plusieurs échelles de morphologies dans le cas de l’alliage TD5AC (Ti 4.5%Al 5% Mo 1.5%Cr)

Y. Combres

28

2.3 Microstructures des alliages de titaneTransformations structurales

(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)

Ti64 : 6%Al 4%V

Phases en présence au cours des traitements

Cas des alliages :

29



Ti64 : 6%Al 4%V


Cas des alliages :

30


Cas des alliages :



Ti64 : 6%Al 4%VPhase et phase : morphologie, taille fonction du traitement

Phase ’ : phase hexagonale comme , mais ayant la même composition chimique que le d’origine ; obtenue par trempe rapide de la phase .

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Diagrammes TRC

Diagramme TRC de l’alliage -CEZ, après 30 minutes de mise en solution à 920°C (S. Bein Thèse CNAM 1996)

Diagramme TRC de l’alliage TA6V, après mise en solution à 1025°C

IV Les alliages riches et métastables

Alliages trempants : durcissement de l’alliage par précipitation différents mécanismes de transformations de phases

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2.3 Microstructures pour les alliages de titane Types de traitements

temps

tem

péra

tur

e

Ti17

Morphologie globulaire + lamellaire (Ti17)

Contrôle de primaire

Contrôle de secondaire

Ti 6242

Ti 6242

temps

tem

péra

tur

e

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3. Propriétés des alliages de titane

Structures équiaxes / globulaires : quand la taille des grains augmente

La résistance diminue quand taille des grains augmente (effet Hall Petch)

La ductilité décroît (empilements des dislocations sont plus longs, plus grande concentration de contrainte en tête d’empilement donc microfissuration interfaces fragiles)

Ténacité est réduite (baisse de résistance et ductilité, et fissure moins perturbée dans sa propagation)

Tenue à la fatigue diminue (cf. ténacité)

Résistance au fluage augmente (pour les alliages de titane elle est régie par le fluage de la phase , (coefficients de diffusion 1000 fois plus faible qu’en ) ; Vitesse de fluage sont inversement proportionnelle à la taille des grains)

Généralités relations microstructure propriétés - Influence de la morphologie de la phase

34

3. Propriétés des alliages de titane

Structures lamellaires mêmes tendances

La ténacité est augmentée : due à la tortuosité des chemins de propagationLa vitesse de propagation des fissures diminue par contre par de gain en fatigue car la germination des fissures à l’interface est très aisée dans le cas d’une structure lamellaire

Généralités relations microstructure propriétés - Influence de la morphologie de la phase

mais

35

Il constitue une large part d’utilisation des alliages de titane ( 35%). la teneur en titane varie de 99,5 à 99,0%.

Éléments résiduels sont apportés par les matières premières.

Les éléments principaux sont le fer, le carbone, l’oxygène, et l’azote qui sont des éléments interstitiels.

Le titane est principalement allié à l’oxygène et au fer, afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques.

Pour classer les alliages on détermine un % d’Oxygène équivalent qui permet de déterminer le grade et les propriétés de l’alliage : %O équivalent = %O + 2%N+0,67%C

Chaque 0,1% d’Oxygène équivalent (interstitiel) augmente la résistance d’environ 120 MPa. Cette augmentation de résistance s’accompagne d’une diminution de ténacité.

3.1 Propriétés

Titane commercialement pur (Ti CP)

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Propriétés mécaniques

Minimum Grade 1

Grade 2

Ti 40

Grade 3

Grade 4

Charge à rupture - MPa

240 340 450 550

Limite d’élasticité -

MPa

170 275 380 480

Allongement %

25 20 18 15

Timet data sheets http://www.timet.com

3.1 Propriétés


37

Microstructure de grains équiaxe

Déformable à froid

Excellente soudabilité (notamment pour les faibles teneurs en Oeq)

Non trempant

3.1 Propriétés


38

3.1 Propriétés

Conditions de TT Rm (MPa) Rp 0.2(MPa)

A (%) Z (%)

Forgé Etat recristallisé

880 710 13 36

Forgé Etat recuit

897 828 10 25

Forgé C

938 876 15.2 34

Forgé C

973 904 15.5 47

Forgé R.Air + 705°C

856 773 11.2 23

Forgé R. Eau + 705°C

932 863 5.9 6

J.C. Williams and E.A. Starke in Deformation processing and structure G. Krauss ASM 1984

L’alliage TA6V4

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Propriétés à température ambiante

Nuance Rm (MPa) Rp 0.2(MPa)

A (%) E (GPa)

Ti : CP T40 483 352 28 110

Quasi : IMI 685 1020 914 8 110

: TA6V4 1000 910 18 110

: IMI 550 1138 1035 12 110

-Cez 1250 1150 11 115

-Cez max 1700 1650 7 115

-Cez 100% 927 723 9 70

3.1 Propriétés

Comparaison de divers alliages

40


NuanceTénacité (K1C)

MPa M

Fatigue

K seuilMPam

K à 10-4 mm/cycle

MPam

T 40 60-70

IMI 68560-70

TA6V4équiaxe 40-60 10 15-20

TA6V4 lamellaire 70-90 10 >20

-Cez équiaxe 35-50 5 10

-Cez lamellaire 70-90 5 15-20

-Cez lamellaire tsc 70-100 5 15-20

Résistance à la propagation de fissure

Y. Combres Technique de l’ingénieur

3.2 Propriétés mécaniques spécifiques

41



42

Propriétés en fonction de la température (température élevée)


Meilleure tenue des alliages et pseudo

Comportement pour des temps courts

Meilleurs compromis pour les alliages métastable traités thermiquement

Alliage conçus pour Des tenues à chaud durées courtes

Ti 6246 (Ti 6%Al 2%Sn 4Zr 6%Mo)

Tenue au fluageTi 6242 (Ti 6%Al 2%Sn 4Zr 2%Mo) avec ajout de silicium

Comportement en fluage

43

Résistance spécifique des alliages de titane Fluage 0,2% 300hY. Honnorat et D. Girault Matériaux et Techniques 1988 p 89

M. Katcher Metals Engineering Quaterly ASM 1958

Fluage

44

Y. Combres technique de l’ingénieur

Comportement aux températures cryogéniquesInfluence de la température sur Re0.2 et Rm

45

350

300

250

200

150

100

Contrainte en serviceDensité

0 100 300 (RT) 500 700 900 1100 1300 1500

(MPa)

Composites Résine Epoxy d = 1,8fibre de carbone

Composites Résine Polyimide d = 1,8fibre de carbone

Aciers martensitiques d = 7,8

Alliages FeNiCr d = 7,8forgés

Alliages de Titane d = 4,5

Superalliages de Nickel d = 8,2Forgés

Superalliages de Nickel d = 8MdP filé + forgé isoth.

Superalliages de Nickel ou Cobalt d = 8 9Coulé Equiaxe

Superalliages de Nickel d = 8,4Coulé monocristaux

Composites céramiques d = 2,3(Cerasep)

TA6VELITA5EELI

R 1914FT800

Base Alu

Maraging

40CDV12

17 4 PH

718

Base Nickel625 Hasteloy X

SiC-SiC

Température en service (K)

BT25Y

Ti17

TA6V

6242

685

834

Waspaloy

Hastelloy

Astroloy

N18

René 95

R77IN100 MARM509

AM1

350

300

250

200

150

100

Contrainte en serviceDensité

0 100 300 (RT) 500 700 900 1100 1300 1500

(MPa)

Composites Résine Epoxy d = 1,8fibre de carbone

Composites Résine Polyimide d = 1,8fibre de carbone

Aciers martensitiques d = 7,8

Alliages FeNiCr d = 7,8forgés

Alliages de Titane d = 4,5

Superalliages de Nickel d = 8,2Forgés

Superalliages de Nickel d = 8MdP filé + forgé isoth.

Superalliages de Nickel ou Cobalt d = 8 9Coulé Equiaxe

Superalliages de Nickel d = 8,4Coulé monocristaux

Composites céramiques d = 2,3(Cerasep)

TA6VELITA5EELI

R 1914FT800

Base Alu

Maraging

40CDV12

17 4 PH

718

Base Nickel625 Hasteloy X

SiC-SiC

Température en service (K)

BT25Y

Ti17

TA6V

6242

685

834

Waspaloy

Hastelloy

Astroloy

N18

René 95

R77IN100 MARM509

AM1

JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes

46

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Maraging 6061 7475 A286 304 INCO718 TA5E ELI TA6V ELI TA6V pq

Re0.2/d 20K

Re0.2/d 300K

COMPARAISON DES LIMITES ELASTIQUES SPECIFIQUES

A L'AMBIANTE ET A 20 KELVIN

MPa/g/cm3


47

Corrosion

Risques de corrosion sous contrainte• à froid dans l’eau de mer (en présence d’entailles aiguës seulement)• dans certains milieux particuliers (tel que le méthanol anhydre)• à chaud, en présence de NaCl fondu.

Les critères de résistance sont globalement proches de ceux quiaméliorent la ténacité :

les structures sont sensibles à la corrosion sous contrainte ;

les structures ont une bonne résistance ;les alliages ont une sensibilité croissante avec la teneur

en aluminium contrecarrée par l’addition d’éléments -gènes.

3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)

48

À l’eau de mer :À une solution bouillante à

90% d’HNO3

Résistance à la corrosion (T40)

Écoulement m/s

Durée d’exposition

mois

Taux de corrosion mm/an

T40 Cu/Ni 70/30

Al

9,8 12 <0,0025

0,3 1,0

8,5 2 1,2 10-4 0,05 ---

7,2 1 5,1 10-4 0,12 ---

Température du métal

Taux de corrosion

TI 40 Inox 18-8

116°C 0,03 – 0,17

mm/an

0,8 – 13,2 mm/an

http://www.associationtitane.fr


49

Pour une meilleure tenue à la corrosion, ajout de Pd


50


Formation d’un oxyde stable TiO2

Couche adhérente stable, protectrice de quelques m

Ceci jusqu’aux températures > 550 voire 600°Caux T >, diffusion de l’oxygène et l’azote

éléments qui modifient les microstructures et les propriétés

Oxydation

51

Bonnes propriétés de biocompatibilité

3.3 Propriétés induites par la surface (biocompabilité)

Biomatériaux

Résistance à la

fatigue(MPa)

E (GPa)

Rf / E * 10-3

OS - 20

FeCrNiMo (316L)

250 210 1.2

Co-29Cr-5Mo coulé

300 200 1.5

CoNiCr forgé

500 220 2.3

Ti a+b 550 105 5.2

Ti cp 200 100 1.8

Ta cp 200 200 1.3

Al2O3 0/4002 380 0/1.05

ZRO2 0/4502 170 0/2.6

PMMA 30 25 1.2

UHMWPE 16 1.2 13.3

Cp commercialement pur1 en flexion 2 en compression

Thèse G. Teixier 2005 Insa Rennes

Biocompatibilité des surfacesTi matériau bio inertelimiter la présence de V, Ni

Biocompatibilité structurale :

Faible module d’Young, notamment pour les alliages ou -métastable

Bonne résistance mécanique

Bonne résistance mécanique spécifique

Bonne résistance à la fatigue

52

4. Assemblage

Collage

Bridage mécanique

Soudage

Soudage avec apport de matière (pbs de contamination O2, N2)

Soudage faisceau laser, soudage faisceau électrons limitent les pbs

ZAT structures lamellaires, aciculaires charge de rupture, dureté augmentent ductilité et flexion chutent

Adhésion métallurgique Soudage diffusionSuperplasticité combinée au soudage diffusion

réservoir d’avion

53

4. Assemblage

Alliages de titane présentent une bonne soudabilité :

1. Bonne ductilité ne nécessitant pas la réduction des contraintes internes par préchauffage de la pièce Absence de fissures au cordon de soudure

2. Faible coefficient de dilatation et faible conductivité thermique Déformations des pièces après soudage limitées

Critères de choix des procédés :

- Taille forme des pièces à souder- Défauts associés (porosité, contamination) et effets sur les

propriétés- Criticité des pièces - Coût du process TIG < Plasma < Laser < FE < FI

54

4. Assemblage

Assemblage par fusion : soudage à l’arc TIGsoudage plasmasoudage par faisceau laser CO2soudage par faisceau d’électron (FE)

Assemblage par friction : friction inertiellefriction pilotéemalaxage (steer welding)

Les alliages de titane présentent une grande affinité pour l’oxygène qui fragilise les structures soudées. Protection.

55

Bonne aptitude de ces alliages au soudage diffusion

Combinaison de déformation superplastique et de soudage diffusion

4. Assemblage Soudage - Diffusion

56

Conclusions

Large domaine d’application du titane CP

Pour les alliages quasi et métastableapplications nécessitent une bonne connaissance des relations traitements microstructures propriétés

Recherche des traitements pour une optimisation des propriétés et une limitation de la dispersion des propriétés

57

35% d’utilisation des alliages de titane

%Ti Grade %C %Fe %N %O max

%H Applications

Ti40 < 0,10

0.,2 < 0,03

0,25 0,015

Excellente résistance à la corrosion, excellente soudabilité.

99,5 1 0,08 0,20 0,03 0,18 0,015

Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau de mer, marine, échangeurs plats

99,2 2 0,08 0,25 0,03 0,20 0,015

Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur.

99,1 3 0,08 0,25 0,05 0,30 0,015

Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion

99,0 4Ti60

0,08 0,25 0,05 0,40 0,015

Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs d’avions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs


Exemple d’applications


58

-Cez Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe T 890°C

Ti 17 Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr T 880°CAlliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à l’oxydation

10-2-3 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al T 800°CBon compromis entre propriétés mécaniques de traction, ténacité et fatigue. forgeable et trempant. Utilisé pour différentes applications de structure aéronautique comme les trains d’atterrissage de gros porteurs.

Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si T 800°C Alliagerésistant à l’oxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères de moteurs, structures …

…..

Ex d’alliages riches et métastables

Exemple d’applications

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Ti, 5%Al, 2,5% Sn : TA5E (Température de transus T 1030°C)

Bonnes propriétés mécaniques Re0,2 806 MPa, Rm 861 MPa A 16%Bonne tenue oxydationSoudable

Existe sous forme de produits plats : éléments de structure aéronautique

Pour faire des pièces forgées : disques de compresseur (moteur) aubes de turbines à vapeur, moteur aérospatial (nuance ELI)

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Ti, 5%Al, 4% Sn, 4% Zr, 0,5% Mo, 0,7% Nb, 0,35% Si : Ti 834 T 1045°C

• Propriétés en traction élevée, bonne tenue en fluage jusque 600°C, bonne tenue en fatigue.

• Ces bonnes propriétés sont dues à un durcissement par solution solide, traitement thermique dans le domaine .

• Forgeable et soudable.

Ti, 6%Al, 0,5% Mo, 5% Zr, 0 ,2%Si : Ti 685 • Excellentes propriétés de traction et de fluage haute température

(520°C)• Soudable

Ti, 6% Al, 2% Mo, 4% Zr, 2% Sn, 0,1%Si : Ti 6242S T 995°C + 15

• Excellente combinaison de propriétés en traction, en fluage et en ténacité

• Stabilité à haute température pour des applications de tenue longue en température.

Trois alliages pour pièces moteurs disques moteurs, compresseurs, aubes, éléments de structure (températures élevées) ...

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Types d’alliages ex.

-Cez Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe T 890°C

Ti 17 Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr T 880°CAlliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à l’oxydation

10-2-3 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al T 800°CBon compromis entre propriétés mécaniques de traction, ténacité et fatigue. forgeable et trempant. Utilisé pour différentes applications de structure aéronautique comme les trains d’atterrissage de gros porteurs.

Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si T 800°C Alliagerésistant à l’oxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères de moteurs, structures …

…..

Les alliages riches et métastables

T bien plus faible que les alliages quasi et

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Autres

Alliages déformables à froid : produits plats

Ti-15-3-3 plaques, bandes et feuilles Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al épaisseur de 0.4mm à 2.4mm.

Beta C plaque, bande, feuille, pour ressorts, barres de torsion, Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo

Beta 21-S alliage optimisé pour la résistance à l’oxydation et au fluage. Utilisé en produit plat pour tuyères moteurs

Alliages émergents Ti 6.22.22 : Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Cr-0.25Si Alliage pour structure cellulesSP 700 Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe vient en compétition avec Ti-6-4 (SPF … )TIMETAL®LCB Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al alliage faible coût application ressort

Alliages application médicale…Ti-13Nb-13Zr forgéTi-12Mo-6Zr-2Fe forgé

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4. Assemblage

Procédés de soudage par

fusionTIG PLASMA LASER CO2 FE

Puissance spécifique

<1 GW/m2 > 1 GW/m2> 10 à 100

GW/m2> 10 à 1000

GW/m2

Electrode Non fusible (W)Non fusible (W)

Atmosphère Inerte (Ar)Inerte (Ar) Mélange

Gazeux (CO2-He-N2)

Vide (10-2 Pa)

SoudureAvec ou sans

métal d’apportAvec ou sans

métal d’apportAvec ou sans

métal d’apportSans métal

d’apport

Caractéristique de la soudure

largeMoins large que

TIGZF fines

ZAT étroitesZF fines

ZAT étroites

Epaisseur de soudage

< 3mm <8mm ImportanteImportante <50 mm

RetraitImportant (0.5

à 0.8 mm)Inférieur au TIG 0.3 à 0.4 mm

Faible idem Faible

B. Barbier Snecma Cours CACEMI Alliages de titane

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Absorption d’hydrogèneRéduction de l’eau conduit à l’absorption d’hydrogène

Précipitations d’hydrures fragilisants

Plus il y a de phase plus il y a absorption d’hydrogène

Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al


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Éléments en insertion

H, gène

Pas d’influence sur les propriétésFormation d’hydrures baisse de ductilité

Présence de la phase piège l’H et empêche la formation d’ hydruresT40 alpha solubilité limite 19ppmTA6V4 alpha bêta 800 à 1000 ppm

O, N et C gènes

Durcissent la phase Diminue la ductilité

Influence des éléments d’alliages

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Eléments en substitution

Al gène

Durcit alpha, améliore le fluage et le compromis résistance ductilité aux températures cryogéniques

Durcit la phase Module d’Young augmenteAmélioration de la résistance et diminution de la ductilité c/a augmente, la plasticité diminueAmélioration de la tenue en fluageAl<7% pour limiter la formation de Ti3Al fragilisanteRéduit la fragilisation à l’hydrogène

Sn, neutre

Durcit alpha et bêta, améliore le compromis résistance ductilité de tout alliage alpha bêta

Zr, neutre


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Améliore la résistance, la ductilité et le fluage moyenne température. Augmente la tenue à l’oxydation. Empêche la précipitation grossière de Ti3Al retarde la précipitation fine de Ti3Al

Mo, gène

Améliore la ductilité mais baisse la tenue à l’oxydation. V, gène

Améliore la résistance, mais baisse la ductilité (limitation à 4% pour les alliages alpha bêta)

Cr, gène

Améliore le compromis résistance/ductilité/fluage moyenne température. Baisse fortement T et permet de travailler plus bas en température.

Fe, gène

Améliore la tenue au fluage par précipitation de siliciures. On se limite à 1% pour éviter les trop fortes chutes de ductilité.

Si, gène


Eléments en substitution

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Les alliages riches et métastablesTTT Diagram Ti17 ( 30 min at 920°C ; T 880°C)

time (s)

J. Da Costa Teixeira, L. Héricher, B. Appolaire, E. Aeby-Gautier, G. Cailletaud, S. Denis, N.Späth, J Phys. IV France, 2004, 120 pp 93-101.

71


0,25mm

72

Exemple de gamme de traitements de l’alliage Ti 17

%α67%0%

temps

Taux de phase α d’équilibre

Tβ

FORGEAGE MISE EN SOLUTION

REVENUT T


0,25mm0,25mm

73

Evolution de la dureté en fonction du temps de vieillissement


74

Exemples de séquences de traitements thermomécaniques proposées pour le Ti 17

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Progrès réalisés dans l'amélioration du procédé KROLL, dans les procédés de refusion d'éponges et de chutes

Gamme très complète de titanes "commercialement pur" et d'alliages, répondant à des spécifications technico économiques variées.

Les technologies d'usinage, de déformation (à chaud/à froid) et d'assemblage (soudage, brasage, collage) ont également beaucoup progressé.

Sectoriellement les utilisateurs du titane (selon une étude récente réalisée pour le compte du Ministère des Finances et de l'Industrie, sur le marché mondial) sont les suivantes

78


Phase etPhase

Phase métastable (m) : phase retenue à l’ambiante mais avec sa composition chimique haute température ; est susceptible de se transformer par traitement thermique ultérieur (en phase à haute température et à basse température).

Phase stable ( s) : phase retenue à l’ambiante stabilisée et impossible à transformer par traitement thermique.


Cas des alliages métastable :

Phase prime (’) : phase hexagonale comme α, mais ayant la même composition chimique que le d’origine ; obtenue par trempe rapide de la phase .

Phase seconde (’’) : phase orthorhombique, précipitant par TT ou sous contrainte dans m

Phase oméga () : phase précipitant soit lors du refroidissement rapide de βm ( athermique), soit au cours d’un traitement thermique ( isotherme).

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On pourra aussi distinguer

Phase transformée (t) : décomposition de par refroidissement lent en structure lamellaire .

Phase primaire (I) : phase présente à l’équilibre à haute température pendant le traitement thermique ou thermomécanique.

Phase a secondaire (II) : phase résultant de la transformation de m ou t au cours de traitements thermiques.

2.3 Microstructures des alliages de titaneTransformation structurales

80



81

519/ 03/ 2001R éférence

LES ALLIAGES DE TITANE - LES DOMAINES

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Température

(K)

0 100 200 300 400 500 600 (°C)

TA6V ELIcryo.

TA5E ELIcryo

10.2.3 VT22.1

TA6V

Ti17

6.2.4.2. +

6.2.4.6. TA8DV

IMI834

BT 25Y etIMI 685

6.2.4.2.

Niveau de chargementDMF (DGPL-DGPP - DPES)

MESSIER DOWTYHISPANO SUIZA

TECHSPACE AERO

MESSIER BUGATTI

DMA - SNECMA SERVICES

TURBOMECA

Comparaison des différents alliages de Titane

DASSAULTEADS


82

2.3 Microstructures des alliages de titane à température ambiante alliages constitués de phase

Ti17 métastable

Ti17 métastable

Ti 64

Ti 64 MO MEB

83

35% d’utilisation des alliages de titane

Pour améliorer la résistance à la corrosion ajout de Pd

%Ti Grade %C %Fe %N %O max

%H Applications

Ti40 < 0,10

0.,2 < 0,03

0,25 0,015

Excellente résistance à la corrosion, excellente soudabilité.

99,5 1 0,08 0,20 0,03 0,18 0,015

Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau de mer, marine, échangeurs plats

99,2 2 0,08 0,25 0,03 0,20 0,015

Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur.

99,1 3 0,08 0,25 0,05 0,30 0,015

Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion

99,0 4Ti60

0,08 0,25 0,05 0,40 0,015

Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs d’avions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs



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Techniques conventionnelles

Préparation de l’électrode

Préparation de lots à partir des matières premières (éponges, éléments d’alliage, chutes, copeaux …)CompactageEmpilements des compacts, et solidarisation par soudage plasma ou faisceau d’e- sous vide

Yves Combres Techniques de l’Ingénieur

Cycle de préparation des matièresdestinées à être refondues

1. Généralités – Élaboration secondaire

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Absorption d’hydrogèneRéduction de l’eau conduit à l’absorption d’hydrogène

Précipitations d’hydrures fragilisants

Plus il y a de phase plus il y a absorption d’hydrogène

Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al


1 Les alliages de titane Elisabeth Aeby-Gautier LSG2M CNRS UMR 7584 - Ecole des Mines de Nancy.

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