Les quatre principales formes de diagrammes de phases binaires en titane expliquées

Le développement d'alliages dans le titane commence toujours à partir des systèmes binaires, car la forme d'un diagramme de phases binaire indique au métallurgiste comment un élément se comportera avant qu'un seul essai de chaleur ne soit fondu. Selon la classification de II Kornilov, les diagrammes de phases des systèmes binaires dans la partie riche en titane - prennent quatre formes principales, et chaque forme correspond à un type distinct de comportement d'alliage et à une famille distincte d'alliages commerciaux.

Formulaire un : solutions solides alpha continue et bêta continue

Dans la première forme, la phase alpha, avec son réseau hexagonal serré-, et la phase bêta, avec son réseau cubique centré sur son corps-, forment des solutions solides continues sur toute la plage de composition. Seuls deux systèmes binaires se comportent de cette manière : Ti-Zr et Ti-Hf. L'explication réside dans le tableau périodique. Le titane, le zirconium et le hafnium appartiennent au même groupe, leurs atomes partagent donc la même structure électronique externe, les mêmes types de réseau et des rayons atomiques similaires, et ils se substituent librement les uns aux autres dans les deux phases. Par le même raisonnement, le système ternaire Ti-Zr-Hf devrait également former une solution solide continue ternaire.

Deuxième forme : bêta continue avec une solution solide alpha limitée

Dans la deuxième forme, bêta est une solution solide continue tandis que alpha ne dissout qu’une quantité limitée de l’élément ajouté. Quatre systèmes binaires appartiennent à ce groupe : Ti-Mo, Ti-V, Ti-Nb et Ti-Ta. Le molybdène, le vanadium, le niobium et le tantale ne possèdent chacun qu'une seule structure cristalline, le réseau cubique centré sur le corps-, ils sont donc complètement miscibles avec le titane bêta et seulement partiellement solubles dans la phase alpha hexagonale compacte-. C'est l'origine des stabilisants bêta isomorphes utilisés dans les alliages bêta métastables. Lorsque le titane est combiné avec l'aluminium, le vanadium, le niobium et le tantale dans un alliage à plusieurs composants, le même schéma réapparaît : le bêta peut former une solution solide continue, tandis que l'alpha reste une solution solide limitée.

Troisième forme : -réactions d'inclusion à l'état solide avec formation de composés

La troisième forme montre une réaction à l'état solide accompagnée de la formation d'un ou plusieurs composés intermétalliques. Les systèmes binaires de ce type incluent Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ce, Ti-B et Ti-C. Les trois premiers d'entre eux ont un large champ de solution solide alpha, et ce large champ est exactement ce qui les rend importants dans les alliages de titane résistants à la chaleur : il permet de dissoudre des quantités substantielles d'aluminium ou d'étain dans la phase alpha pour augmenter la résistance aux températures élevées. Les systèmes du bore et du carbone, en revanche, présentent un intérêt principalement pour les composés très durs qu'ils forment.

Forme 4 :-réactions eutectoïdes à l'état solide avec formation de composés

La quatrième forme implique une réaction eutectoïde à l'état solide et la formation de certains composés. Les systèmes qui produisent ce diagramme incluent Ti-Sc, Ti-Cr, Ti-W, Ti-U, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Pd et Ti-Pb. Ces éléments formant des eutectoïdes-sont des stabilisants bêta économiques, mais les composés qu'ils peuvent former limitent les ajouts qui peuvent être tolérés avant que le traitement ne devienne difficile et que la ténacité en souffre, c'est pourquoi les cycles thermiques de ces alliages sont étroitement contrôlés.

Couverture des données et utilisation pratique de la classification

Sur plus d'une centaine d'éléments du tableau périodique, plus de soixante-dix forment avec le titane un système binaire qui peut être représenté sous forme de diagramme de phases, et des données de recherche sont disponibles pour environ cinquante à soixante d'entre eux. La classification a une valeur pratique directe : elle indique immédiatement au concepteur si un ajout stabilisera alpha, stabilisera bêta de manière isomorphe ou stabilisera bêta via une réaction eutectoïde qui doit être gérée pendant le traitement thermique. Cela explique également pourquoi les familles alpha-bêta et quasi-alpha des alliages de titane commerciaux sont principalement construites à partir d'aluminium, de vanadium, de molybdène, de zirconium et d'étain, tandis que le fer, le chrome et le silicium sont utilisés avec plus de prudence.

FAQ

Q : Qui a établi la classification des diagrammes de phases binaires du titane ?
Les quatre principales formes de diagrammes de phase pour les systèmes binaires riches en titane- suivent la classification de II Kornilov, et le regroupement est toujours utilisé pour décrire le comportement des éléments d'alliage dans le titane.

Q : Quels systèmes binaires forment des solutions solides alpha continues et bêta continues ?
Seulement deux : Ti-Zr et Ti-Hf. Le titane, le zirconium et l'hafnium partagent le même groupe dans le tableau périodique, les mêmes types de réseaux et des rayons atomiques similaires, ce qui permet une solubilité mutuelle complète dans les deux phases.

Q : Quels systèmes ont une solution solide bêta continue et une solution solide alpha limitée ?
Ti-Mo, Ti-V, Ti-Nb et Ti-Ta. Chacun de ces métaux n'a qu'une structure cubique centrée sur le corps-, il se mélange donc complètement avec le titane bêta mais seulement en partie avec la phase alpha hexagonale.

Q : Quels systèmes présentent une réaction d'inclusion-à l'état solide avec formation de composés ?
Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ce, Ti-B et Ti-C. Les systèmes d'aluminium, d'étain et de cérium ont un large champ de solution solide alpha, c'est pourquoi ils sont importants dans les alliages de titane -résistants à la chaleur.

Q : Quels systèmes forment des composés via une réaction eutectoïde à l'état solide ?
Les exemples incluent Ti-Sc, Ti-Cr, Ti-W, Ti-U, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Pd et Ti-Pb. Les composés formés limitent la quantité de ces éléments pouvant être ajoutée.

Q : Combien d’éléments forment des systèmes binaires avec le titane ?
Plus de soixante-dix éléments forment avec le titane un système binaire qui peut être dessiné sous forme de diagramme de phases, et les données de recherche publiées couvrent environ cinquante à soixante de ces systèmes.