Traitement du titane de grade 23 : de la réduction Kroll au produit d'usine de qualité médicale-

La voie industrielle vers le titane métal est le procédé Kroll, et il domine la production depuis les années 1950 car aucune voie concurrente n'a égalé son économie à grande échelle. Le produit de la réduction Kroll est une éponge de titane, qui doit ensuite être fondue et travaillée avant de devenir un produit de broyage utilisable. Pour le grade 23, l'alliage interstitiel très-faible-, la chaîne supporte un fardeau supplémentaire : une contamination qui serait tolérable dans un grade conventionnel devient un échec de spécification.

Du minerai à l’éponge de titane

Le rutile ou l'ilménite valorisée est chloré en présence de carbone à environ 900 degrés Celsius pour produire du tétrachlorure de titane brut, qui est ensuite purifié par distillation pour éliminer les chlorures de fer, de silicium et de vanadium. Le tétrachlorure purifié est réduit avec du magnésium fondu sous atmosphère inerte entre 800 et 900 degrés Celsius, produisant une éponge de titane et du chlorure de magnésium. Le chlorure de magnésium est séparé et l'éponge est distillée sous vide et broyée. Lorsque le rutile est la matière première, l’étape d’enrichissement peut être contournée et la chloration se déroule directement.

La qualité de l'éponge détermine ce que l'atelier de fusion peut réaliser. Une éponge à haute teneur en oxygène ou en fer oblige le fondoir à se mélanger avec un matériau plus propre, ce qui augmente les coûts et limite la fenêtre chimique réalisable.

Pratique de la fusion et des lingots

L'éponge est mélangée à l'alliage maître et compactée en électrodes, qui sont soudées ensemble et fondues dans un four à arc sous vide avec un creuset en cuivre refroidi à l'eau-. Le titane est trop réactif pour fondre au contact des creusets réfractaires, le processus de fusion à l'arc est donc la seule voie pratique pour les gros lingots. Le grade 23 nécessite au moins une double fusion et, pour les applications implantaires et aérospatiales, une triple fusion, ce qui améliore l'homogénéité chimique et réduit le risque d'inclusions. Les niveaux de vide sont maintenus suffisamment bas, généralement de l'ordre de quelques pascals ou mieux, pour empêcher la capture d'oxygène et d'azote pendant la fusion.

Deux familles de défauts sont activement gérées à ce stade. Les inclusions à haute densité-, généralement des fragments de matériau d'outil ou de métal réfractaire, sont éliminées grâce à un contrôle strict de la préparation des déchets et des consommables. Les inclusions alpha dures, des particules enrichies en oxygène-qui ne se dissolvent pas pendant la fusion, sont contrôlées par la sélection d'une éponge et par une inspection par ultrasons ou par rayons X-du produit fini lorsque la spécification l'exige.

Traitement thermomécanique

Le lingot est transformé par forgeage et laminage. La température de transus bêta pour Ti-6Al-4V est d'environ 995 degrés Celsius, et le choix de travailler au-dessus ou en dessous de cette température détermine la microstructure résultante. Le forgeage bêta produit une structure transformée avec une meilleure résistance au fluage et une meilleure ténacité à la rupture ; Le forgeage alpha-bêta, généralement fini dans une plage de 900 à 950 degrés, produit une structure équiaxiale avec une meilleure résistance à la fatigue et une meilleure ductilité. Le grade 23 destiné à un usage médical et aérospatial est généralement fini par un travail alpha-bêta suivi d'un recuit au broyeur dans la plage de 700 à 800 degrés, ce qui soulage le produit sans grossir la structure.

Conditionnement de surface et problème du cas Alpha

Chaque étape de travail à chaud expose le titane à l'oxygène et, au-dessus d'environ 600 degrés Celsius, le métal absorbe l'oxygène dans la surface pour former une couche dure et cassante appelée boîtier alpha. Pour les élèves de 23e année, le cas alpha est doublement indésirable : il est non seulement cassant, mais viole également la chimie interstitielle extra-faible-à la surface, il doit donc être complètement éliminé plutôt que mélangé. L'enlèvement se fait par usinage, meulage ou décapage acide dans un bain nitrique-fluorhydrique, et la profondeur d'enlèvement est vérifiée sur coupe métallographique. Un conditionnement incomplet est une cause fréquente de faibles résultats de fatigue et constitue l'un des premiers éléments à vérifier lorsqu'un composant de grade 23 fonctionne en deçà des attentes.

Finition, tests et certification

Les formes de produits finis comprennent les barres, les billettes, les pièces forgées, les plaques, les feuilles, les tubes et les fils, chacun étant commandé selon ses propres spécifications. Les applications d'implants sont certifiées selon la spécification d'implant forgé Ti-6Al-4V ELI et son équivalent international, avec des exigences supplémentaires en matière de microstructure, de contenu d'inclusions et d'état de surface en fonction de la catégorie de dispositif. Les essais mécaniques couvrent la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement et la réduction de surface ; Les tests de dureté et de pliage sont utilisés comme contrôles supplémentaires. La traçabilité doit s'étendre de la pièce finie au lingot d'origine et au numéro de chauffe, et pour le matériau d'implant, l'historique de fusion, les enregistrements de traitement thermique et les résultats d'inspection font partie de la documentation.

Foire aux questions

Q:Pourquoi le titane fond-il sous vide plutôt que dans l’air ou sous laitier ?
R : Le titane réagit avec l'oxygène, l'azote et la plupart des matériaux réfractaires à la température de fusion. La refusion à l'arc sous vide dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau évite tout contact avec la céramique et maintient la capture interstitielle dans les limites des spécifications.

Q:Qu'est-ce qui détermine si un produit de grade 23 est forgé au-dessus ou en dessous du transus bêta ?
R : Le solde de propriété requis par la demande. Le travail bêta favorise la ténacité et la résistance au fluage, tandis que le travail alpha-bêta favorise la résistance à la fatigue et la ductilité, c'est pourquoi les implants et la plupart des produits aérospatiaux de grade 23 sont finis en dessous du transus bêta.

Q:Comment le cas alpha est-il détecté et mesuré ?
R : Par examen métallographique d'une coupe prélevée sur le produit, où la couche enrichie en oxygène-apparaît comme une bande distincte sous gravure. Les traverses de dureté peuvent prendre en charge la mesure, et le contrôle de la production repose sur la suppression d'une profondeur définie par usinage ou décapage.

Q:Une triple fusion améliore-t-elle vraiment le matériau ?
R : Cela améliore l'homogénéité chimique et réduit le risque d'inclusion par rapport à une double fusion, ce qui est particulièrement important pour les pièces critiques en fatigue. Toutes les applications ne l'exigent pas et la séquence de fusion doit être spécifiée en fonction du caractère critique du composant fini.

Q:Quelle est la différence pratique entre le traitement de la 5e année et celui de la 23e année ?
R : Le processus de fabrication est en grande partie le même, mais le grade 23 exige un contrôle plus strict de l'atmosphère du four, de la pureté des matières premières et du conditionnement de surface, car la limite d'oxygène est de 0,13 pour cent au lieu de 0,20 pour cent. Ces contrôles et les tests supplémentaires qu’ils nécessitent expliquent l’essentiel de la différence de prix.

Q:Les déchets de grade 23 peuvent-ils être refondus en grade 23 ?
R : Uniquement avec un système de gestion des déchets contrôlé qui maintient la chimie et le contenu interstitiel dans les limites ELI et exclut les matériaux d'origine inconnue. La matière première recyclée est mélangée avec une éponge et un alliage maître selon un rapport documenté et vérifiée par analyse du lingot fini.