Différents types d'alliages de titane

Les alliages de titane sont des matériaux techniques réputés pour leur haute résistance, leur faible poids et leur bonne résistance à la corrosion.

En alliant le titane à divers éléments, ces alliages peuvent être développés pour répondre aux exigences de performances spécifiques de différentes industries.

Cet article donne une vue détaillée-des classifications des alliages de titane, de leurs propriétés mécaniques, physiques et thermiques, des secteurs dans lesquels ils se trouvent, ainsi que des considérations relatives à l'usinage et au traitement thermique.

Les alliages alpha sont des matériaux monophasés-avec une structure cristalline HCP stabilisée par des éléments chimiques comme l'aluminium, l'oxygène, l'azote et le carbone. Ces alliages offrent une résistance modérée, sont très résistants à la corrosion- et fonctionnent bien à des températures élevées.

Ils ne peuvent pas être traités thermiquement-en raison de leur structure-monophasique, ce qui limite le durcissement par précipitation.

Les éléments chimiques stabilisants alpha-, en revanche, favorisent une résistance élevée via le renforcement d'une solution solide, mais un alliage excessif (comme une équivalence en aluminium supérieure à 9 %) peut précipiter des intermétalliques cassants. Les alliages offrent une ténacité à la rupture et une résistance au fluage dans des environnements agressifs.

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Les alliages de titane proche -alpha sont composés principalement de la phase alpha avec 1 à 2 % d'éléments chimiques stabilisants bêta-tels que le molybdène ou le silicium, qui introduit une petite quantité de phase d'alliage bêta ductile.

Ces alliages conservent la résistance à la corrosion et la ténacité des alliages alpha tout en améliorant l'ouvrabilité à chaud et en possédant une aptitude au traitement thermique limitée.

Leur microstructure, composée essentiellement de particules alpha avec des particules bêta mineures le long des joints de grains, présente une résistance au fluage à des températures élevées, ce qui les rend utiles pour certaines applications.

Les alliages alpha-bêta ont deux phases dans la microstructure et sont constitués de mélanges de phases alpha et bêta grâce à l'ajout d'éléments chimiques stabilisants alpha-, tels que l'aluminium, et d'éléments chimiques stabilisants bêta-, tels que le vanadium et le molybdène.

Ces alliages peuvent être traités thermiquement et peuvent augmenter considérablement leur résistance élevée grâce à la trempe et au vieillissement. Par rapport aux alliages alpha et quasi alpha, la phase bêta offre une bonne formabilité, une bonne résistance à la fatigue et une moindre résistance au fluage.

L'alliage alpha-bêta Ti-6Al-4V possède des propriétés mécaniques équilibrées et utilise environ 50 % d'alliage de titane.

Les alliages de titane bêta ont une structure BCC stabilisée par une concentration élevée d'éléments bêta-stabilisants tels que le molybdène, le vanadium ou le fer. Ces alliages peuvent être traités thermiquement et peuvent atteindre des résistances très élevées grâce à la précipitation de fines particules alpha au cours du vieillissement.

Les alliages bêta présentent une bonne formabilité à froid et une bonne résistance à la rupture, mais ils offrent une ductilité et une résistance à la fatigue réduites lorsqu'ils sont traités thermiquement-.

Les alliages bêta métastables avec un équivalent molybdène 10-30, après refroidissement rapide, restent entièrement bêta et peuvent fournir une résistance élevée pour les applications les plus exigeantes.

Le Ti-6Al-4V (ou ASTM Grade 5) est un alliage de titane très utilisé comprenant environ 6 % d'aluminium et 4 % de vanadium, avec des quantités mineures de carbone, d'azote et d'hydrogène.

Il s'agit d'un alliage alpha-bêta qui développe des résistances à la traction de l'ordre de 895-1 100 MPa, résiste à la corrosion atmosphérique et présente un très bon rapport résistance-poids, ce qui le rend préféré dans les matériaux aérospatiaux et biomédicaux.

Les processus de traitement thermique-peuvent fournir les propriétés mécaniques et physiques souhaitées, avec un traitement en solution et un vieillissement équilibrés, favorisant une résistance élevée tout en conservant une bonne ductilité.

Le combo quasi-alpha, Ti-6242, a été développé à des températures élevées. Il contient 6 % d'aluminium, 2 % d'étain, 4 % de zirconium et 2 % de molybdène, ce qui lui confère une résistance supérieure au fluage pour maintenir une résistance élevée à des températures élevées jusqu'à 550 degrés.

Sa microstructure favorise la résistance à la corrosion et la stabilité thermique, ce qui la rend adaptée aux moteurs à réaction et à d'autres composants aérospatiaux-à haute température.

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques des alliages de titane sont essentielles pour les applications porteuses-. Basé sur les données MatWeb, le tableau ci-dessous détaille la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement et la dureté des principales qualités de titane.

Il contient des qualités commerciales de titane pur à résistance moyenne-et à haute-ductilité, dont le grade 4 est le plus résistant parmi les qualités commerciales pures. Les alliages alpha et quasi-alpha, comme le Ti-6242, offrent une résistance moyenne et une ténacité élevée.

Les types alpha-bêta tels que Ti-6Al-4V offrent une résistance élevée et une résistance à la fatigue. En revanche, les alliages bêta haute température, tels que le bêta C, peuvent se développer au-dessus de 1 200 MPa, ce qui les rend appropriés pour les applications à contraintes élevées mais ayant une ductilité limitée.

Propriétés physiques

Les propriétés physiques influencent l'adéquation d'un alliage aux applications nécessitant un poids spécifique ou des caractéristiques magnétiques. Le tableau ci-dessous, provenant de MatWeb, détaille la densité et la densité.

Les alliages de titane d'une densité allant de 4,4 à 4,8 g/cm³ sont beaucoup plus légers que d'autres métaux comme l'acier (7,9 g/cm³), ce qui explique leur légèreté et leur grande résistance. Les alliages de titane sont de bonnes options lorsqu'une faible interférence magnétique est nécessaire, comme pour les exigences médicales et aérospatiales.

Propriétés électriques

Les alliages de titane ont une résistivité électrique élevée (0,42-1,78 μΩ·m) par rapport à d'autres métaux comme le cuivre (0,017 μΩ·m), ils ont donc une conductivité plus faible.

Cette propriété peut constituer un matériau électriquement isolant dans les configurations où la résistance à la corrosion et la non-conductivité sont les plus recherchées, comme dans les équipements de traitement chimique.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques sont essentielles pour les applications impliquant des températures élevées. Le tableau ci-dessous détaille la conductivité thermique et la température de service maximale.

Les alliages de titane livrés avec une faible conductivité thermique les rendent difficiles à usiner mais acceptables à des températures élevées.

En raison de la stabilité de phase, le titane commercialement pur est limité à 350 degrés, tandis que les alliages tels que le Ti-6Al-4V et le Ti-6242 subissent des températures extrêmes de 400 à 550 degrés, respectivement.

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