METALLURGIE DESCRIPTIVE

ISITV Matériaux 2ième année - Métallurgie descriptive - contact : [email protected] -

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Composites

Céra

miq

uesPolym

ères

MétalliquesAlliages ferreux

FontesAciers

Alliages non-ferreux

Alliagesd’Aluminium

Alliagesde Cuivre

Alliagesde titane

Les différentes familles de matériaux

Les alliages ferreux représentent encore une très grande proportion dans l’utilisation des alliages métalliques (50% des métaux dans une automobile).


Chapitre V - Les Alliages de titane


Sommaire

Introduction : le titane

Éléments d’addition

Morphologies

Propriétés physiques du titane et de ses alliages

Propriétés induite par la nature de sa surface

Propriétés mécaniques

Principaux domaines d’emploi

Nouveaux secteurs d’application


Introduction


Le titane

Le titane

• L’élément titane a été découvert en 1790 par le moine anglais Gregor• Sa métallurgie extractive étant très difficile, il a fallu attendre les années 1940 pourque son exploitation industrielle soit envisageable

méthode Kroll (1950)

Transformation allotropique

• Le titane pur est le siège d’une transformation allotropique, de type martensitique auvoisinage de 882°C• En dessous de cette température, la structure cristallographique est hexagonale pseudo-compacte (a = 0,285 nm ; c = 0,468 nm ; c /a = 1,633) et est appelée a

• Au-dessus de cette température, la structure est CC (a = 0,33 nm) et est appelée b

• La température de transition α→ β est appelée transus β (Tβ)Pour les alliages, cette température est éminemment variable en fonction des éléments d’addition et il est crucial de la connaître avec précision.


Éléments d’addition Effet des éléments d’addition

• Les éléments d’addition stabilisent soit :

la phase α (élément a-gène) la phase β (élément b-gène)

Tβ Tβ

Les éléments -gènes sont : - l’aluminium (Al) - l’oxygène (O) - le carbone (C) - l’azote (N)

Les éléments -gènes sont : • Les éléments isomorphes, miscibles en toutesproportions dans la phase b, qui sont :

- l’hydrogène (H)- le molybdène (Mo)

- le vanadium (V)- le niobium (Nb)

• les éléments eutectoïdes, pouvant former des précipités, tels que :

- le manganèse (Mn), - le fer (Fe), - le chrome (Cr),

- le silicium (Si)- le nickel (Ni)- le cuivre (Cu)

Les éléments dit « neutres » : - le zirconium (Zr)- l’étain (Sn)


Effet des éléments d’addition

• Les éléments d’addition vont donc stabiliser α ou β en plus ou moindre grande quantité à T ambiante

• On peut classer les différents alliages de titane en trois grandes familles selon leur proportion de phase a et b retenue à la T ambiante :

- Les alliages α sont 100 % α à 20°C- Les alliages β sont 100 % β à 20°C

- Les alliages α + β sont donc mixtes. Cette dernière catégorie étant très vaste, on distingue trois sous-classes :

- les quasi α (possédant très peu de phase β stable et proches des alliages α) - les α + β proprement dit- les quasi β (ou β métastables, possédant peu de phase α et proches des alliages β)

• Les éléments d’addition influencent à la fois les propriétés :- de résistance à la corrosion : par modification de la chimie de la surface- mécaniques soit : par le biais de la solution solide

par l’influence sur la morphologie de microstructure



Quelques alliages de titane dans leur famille d’appartenance

Quelques alliages de titane, leur composition pondérale et leur famille d’appartenance



Morphologies Les différentes morphologies

• Si, pour le titane pur, la transformation β → α est sans diffusion, il n’en est pas de même pour les alliages. La rapidité du refroidissement agira donc directement sur la finesse des microstructures et leur morphologie

• Pour un alliage de type α ou α + β, un refroidissement rapide de la phase β

une structure aiguillée fine (morphologie aiguillée)

Si la vitesse de refroidissement alors le diamètre des aiguilles puis les aiguilles se transforment en lamelles d’épaisseur de plus en plus importante (morphologie a lamellaire)

Exemples de morphologies lamellaire de TA6V


Propriétés physiques Propriétés physiques du titane et de ses alliages

• Le titane, comme ses alliages, présente des caractéristiques

- sa masse volumique est ~ 60 % de celle de l’acier (ρ = 4,5 g.cm–3) - sa tenue à la corrosion est exceptionnelle dans de nombreux milieux tels que l’eau de mer ou l’organisme humain

- ses caractéristiques mécaniques restent élevées jusqu’à T ~ 600°C et ~ T cryogéniques - sa transformation en demi-produits et en pièces de forme par les techniques usuelles (forgeage, emboutissage, filage, coulée, soudage, usinage...) est raisonnablement aisée - disponible sous des formes et des types de produits très variés : lingots, billettes, barres, fils, tubes, brames, tôles, feuillards

- non magnétisable

- son coefficient de dilatation, légèrement inférieur à celui de l’acier, est ½ celui de Al

- son module d’Young (~ 100 GPa) est très proche de celui des structures osseuses


Les différentes morphologies

• Par traitement thermomécanique (déformation à chaud ou simple traitement thermique sur structures déformées), on peut briser les lamelles α et les faire recristalliser en nodules sphériques. On obtient alors la morphologie α équiaxe

Exemples de morphologies équiaxe de TA6V

quasi-infinité de structures possible d’obtenir dans les alliages de titane par addition d’éléments et traitements thermomécaniques en faisant varier à la fois :

- le taux de phase α - la morphologie de la phase α - la taille des particules de phase α

Morphologies


Propriétés induite par la nature de sa surface

Il s’agit des propriétés :

de corrosion

d’érosion

de résistance au feu

de bio-compatibilité

d’usure

de grippage


Nature de la surface du titane et de ses alliages Nature de la surface du titane et de ses alliages

• Le titane est un métal extrêmement oxydable

Une des causes de la résistance à la corrosion du titane et de ses alliages est le développement d’une couche protectrice de quelques fractions de micromètre, constituéed’oxyde majoritairement TiO2 (ou d’autres variétés)

• Cette couche est intègre et très adhérente. En cas de rayure de la surface, l’oxyde se reformera spontanément en présence d’air ou d’eau.

• Cette couche est très stable sur une large gamme de pH, de potentiel et de température.

• Cette couche se forme sur tous les alliages, indépendamment de la composition chimique oude la morphologie de la microstructure sous-jacente.


Nature de la surface du titane et de ses alliages Corrosion

• Des conditions très réductrices, • Des environnements très oxydants• La présence d’ions fluor

le caractère protecteur de cette couche d’oxyde

• La réactivité des solutions acides peut être néanmoins réduite par l’adjonction d’agents oxydants et/ou d’ions lourds métalliques :

- l’acide chromique ou nitrique

Explique pourquoi le titane et ses alliages peuvent être utilisés dans des procédés industriels et des environnements où les matériaux conventionnels se corroderaient

- les sels de fer, nickel, cuivre ou chrome excellents agents inhibiteurs

Le titane fait partie des métaux nobles

Le coupler avec d’autres métaux (la plupart) crée un courant galvanique le titane devient alors la cathode et l’autre métal se corrode

• La modification des équilibres électrochimiques par l’adjonction d’éléments d’addition permet de réduire l’activité anodique du titane améliorer la tenue à la corrosion


Nature de la surface du titane et de ses alliages Biocompatibilité

• Le titane est l’un des métaux les plus biocompatibles, avec l’or et le platine résiste totalement aux fluides corporels

• De plus, il possède une haute résistance mécanique et surtout un module d’élasticité très bas le rendent compatible mécaniquement avec les structures osseuses

• Il existe de nos jours des revêtements avancés qui accélèrent la prise de l’os sur l’implant• Actuellement des travaux mettent au point des alliages au molybdène et/ou niobium, dont le

module est parmi les plus bas jamais rencontrés

• La teneur extrêmement basse en nickel des alliages de titane explique l’absence de dermatose

Résistance au feu

• Le titane possède une très bonne résistance au feu, notamment d’hydrocarbures.

Il a été démontré qu’un tube de 2 mm d’épaisseur pouvait sans dommage, ni risque de déformation, ni d’explosion, supporter une pression d’eau de 1 MPa (10 bars) tout en étant soumis à un feu d’hydrocarbures et une température de plus de 600°C

dû à la résistance de la couche d’oxyde qui évite la pénétration de l’hydrogène dans le matériau et à la faible conductivité thermique.


Propriétés mécaniques


Propriétés mécaniques Propriétés en traction

• Augmentation de résistance mécanique (Rm, Rp) se traduit par une perte de ductilité (A)

Caractéristiques de traction pour différents alliages Influence de la température sur la résistance

mécanique de trois alliages de titane

Résistances spécifiques d’alliages de titaneet d’autres métaux


Propriétés mécaniques Résistance à la propagation des fissures

• les microstructures de type lamellaire s’opposent

à la propagation des fissures de manière plus efficace que les morphologies équiaxes

Propriétés en fatigue

• Les valeurs les plus élevées sont donc rencontrées avec les alliages présentant les plus fortes résistances mécaniques, c’est-à-dire les alliages quasi β, et pour les morphologies équiaxes


Principaux domainesd’emploi


Principaux domaines d’emploi Principaux domaines d’emploi

• Autrefois réputés chers à cause de leur valeur d’achat, le titane et ses alliages sont de plus en plus considérés comme économiques dans les coûts d’exploitation La clé du succès pour leur rentabilité est d’utiliser au maximum leurs propriétés et caractéristiques uniques dès la conception, plutôt que de les substituer à un autre métal

- la résistance à la corrosion évite les opérations de revêtement des tubes et permet des durées de vie trois à cinq fois supérieures à celle de la référence acier- les valeurs élevées des résistances spécifiques permettent de réaliser des tubes fins et extralégers manutentionnés aisée par un homme seul (là où il fallait auparavant deux ou trois personnes + engins de levage) = gain en main-d’oeuvre et en facilité exploitation

Exemple : issu de l’exploitation pétrolière offshoremontre que les coûts d’installation et d’exploitation des tubes de forage en titane sont 16 % voire 20 % plus bas qu’avec la référence acier :


Principaux domaines d’emploi Aéronautique et aérospatial

• Les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatial constituent la première des applications historiques du titane et ses alliages : 80% des alliages ont été conçues pour ces applications

• De nos jours, le titane constitue 6 à 9 % de la masse des avions- sous forme de pièces forgées : train d’atterrissage du B777 - sous forme de boulons- comme éléments de moteur : aubes, disques de turbine, carter... ;

la température maximale d’utilisation étant limitée à 600°C• Dans le domaine de l’espace : utilisé pour

- les éléments du moteur Vulcain (Ariane 5) pour le mélange H2-O2 et sa combustion soumis à des T cryogéniques côté H2 liquide et à des T de combustion coté O2

- réservoir aux gaz de propulsion pour les satellites grâce à ses bonnes propriétés cryogéniques et à sa résistance à la corrosion des gaz propulseurs

- sous forme d’outil sur les navettes ou stations spatiales (faiblement magnétique évoluer en apesanteur près des appareillages électriques sans risque de créer un arc)


Principaux domaines d’emploi Armement

• Utilisation massive dans les avions de chasse (moteur et structure) de toutes les armées de l’air• Employé comme blindage (l’exemple du porte-avions Charles-de-Gaulle) où ses propriétésmécaniques et sa résistance à la corrosion et au feu sont mises en avant. • Aux États-Unis, utilisé pour concevoir des véhicules légers, dont la carrosserie en alliage de titane (résistance spécifique du TA6V) permet le transport par hélicoptère

Biomédical

• Son emploi s’est développé rapidement en raison de son caractère biocompatible et mécanocompatible

• Largement utilisé comme implants : des prothèses de hanche, des agrafes osseuses, des vis, des plaques...• Le titane a fait aussi une percée importante dans le domaine de l’odontologie : sert

d’implant dans la gencive pour les supports de couronne ou de prothèse. • Apparition d’outillages en titane (TA6V) pour la chirurgie, comme les forets creux refroidis à l’eau. À l’inverse de la référence acier, tout débris d’outil titane pouvant rester dans lecorps n’occasionnera pas d’infection postopératoire du fait de la biocompatibilité


Principaux domaines d’emploi Biomédical

Exemple : la prothèse de hanche.

L’os humain travaille en compression avec un module d’élasticité de 50 à 60 GPa. Si on implante une prothèse en acier, lors de la transmission d’un effort (pendant la marche par exemple), c’est la prothèse qui va subir les déformations. À la base de la prothèse, le fémurn’est plus sollicité et ses tissus n’ont plus besoin de se renouveler ;

on constate alors une de la section de l’os préjudiciable en cas de sollicitation latérale

Dans le cas du titane, notamment pour les nuances quasi β ou β, le module peut descendre jusqu’à 60 à 70 GPa ; la compatibilité mécanique est alors plus élevée, et on ne constate

qu’unamincissement très limité.


Principaux domaines d’emploi Génie alimentaire et pharmaceutique

• Utilisé dans les usines de dessalement pour sa résistance à la corrosion et à l’abrasion par l’eau de mer dans ce secteur : l’augmentation spectaculaire de la durée de vie des ensembles de dessalement vient contrebalancer le coût élevé du matériau de base

• Sert dans l’alimentation et la pharmacie comme réacteur ou injecteur Dans ce cas, on tire partie de sa résistance à la corrosion, à l’abrasion et de sa non-toxicité (exemple de la cuisson-extrusion du ketchup ou de la cuisson du jambon entre 80-120°C dans une vapeur à 13 % de sel aux États-Unis)

Génie énergétique

• Dans l’exploitation pétrolière grâce à leur résistance à la corrosion (notamment dans les milieux saumâtres en profondeur), à l’érosion et au feu d’hydrocarbures

• Utilisation dans la géothermie sous forme de canalisations et de carters et dans leséchangeurs de chaleur (tubes droits ou en U), toujours pour les mêmes propriétés.

• Dans les turbines génératrices de vapeur sous forme d’aubes (parfois bimétal : TA6V revêtud’une couche d’alliage quasi b très dure) ; dans ce cas, on réduit fortement les arrêts decentrale dus aux ruptures d’aubes


Nouveaux secteurs d’application Automobile

• L’automobile représente un marché d’envergure pour le titane, si l’on ne considère que le renouvellement du parc français annuel. Ce marché, par l’effet volume, permettrait de baisser encore plus les coûts de fabrication des demi-produits• C’est surtout au Japon et maintenant aux États-Unis qu’on trouve des alliages de titane dans les voitures de tourisme. Ce qui est recherché est l’allégement des structures visant à réduire àla fois les émanations du moteur et le bruit (pièces en mouvement) : des valves, des ressorts etdes bielles• En France, l’industrie automobile est extrêmement attentive à ces applications, mais on ne trouve d’alliages de titane qu’en Formule 1

Génie civil

• C’est pour ses propriétés de résistance à la corrosion, mais surtout pour sa faculté (par anodisation chimique) à se couvrir d’une couche d’oxyde extrêmement résistante, pouvantprendre toutes les couleurs de l’arc-en-ciel (variation de l’épaisseur de la couche) que le titane non allié est utilisé dans le génie civil, en architecture notammentExemple : au Japon, il sert d’élément de toiture (garantie 100 ans) ou d’ornementation, mais aussi d’enveloppe pour protéger les piles de pont prenant appui sur les fonds marins Le musée Guggenheim (Bilbao en Espagne) est totalement recouvert de tôles en titane



Sports, loisirs, environnement

• Toujours en raison de sa biocompatibilité et de ses facultés à se colorer par anodisation, on trouve du titane :

- dans la bijouterie de fantaisie (bracelets, boucles d’oreilles, boîtiers et bracelets de montre...), - dans la lunetterie, pour des montures extrafines et légères. L’utilisation d’alliages superélastiques permettant d’avoir des montures « indéformables ».

• Dans le domaine du sport, pour sa résistance à la corrosion, sa coloration par anodisation et surtout pour ses excellentes propriétés spécifiques, le titane, et ses alliages, est employé pour :

- les bicyclettes (vélo de tourisme, VTT ou compétition) - les clubs de golf - les raquettes de tennis - les fixations de ski - les crampons, pitons et mousquetons...

Rmq : du fait de son prix élevé, l’industrie du titane a développé très tôt des procédés de recyclage mise en oeuvre ne pose pas de problèmes environnementaux (hormis ceux induits par sa chimie extractive basée sur l’utilisation du chlore)

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