Utilisations et applications du titane dans les industries modernes

Les quatre étapes de la chaîne industrielle du titane

Le titane arrive sur le marché à travers quatre étapes liées. L'ilménite, le rutile et d'autres minerais contenant du titane-sont d'abord valorisés par enrichissement physique en concentré de haute-qualité. Ce concentré est ensuite divisé de deux manières : il est purifié en dioxyde de titane de haute pureté pour l'industrie des pigments, ou chloré en tétrachlorure de titane et réduit en éponge de titane. L'éponge est finalement fondue, coulée en lingots et transformée en produits de broyage tels que des plaques, des barres, des tubes et des fils.

Chaque étape fixe un plafond pour la suivante. Les niveaux de fer, d'oxygène, d'azote et de carbone fixés au stade de l'éponge ne peuvent pas être éliminés de manière économique ultérieurement, de sorte que la ductilité, la résistance à la fatigue et la solidité des soudures du produit fini en titane sont en grande partie décidées avant la première passe de laminage.

Éponge de titane : la matière première principale

L'éponge de titane est produite en réduisant le tétrachlorure de titane avec du magnésium, le procédé Kroll, ou avec du sodium, le procédé Hunter. Les éponges commerciales contiennent généralement entre 98,5 % et 99,7 % de titane, le reste étant constitué de fer, d'oxygène, d'azote, de carbone, de silicium et de chlorures résiduels. La refusion à l'arc sous vide ou la fusion par faisceau d'électrons consolide ensuite l'éponge en un lingot dense avec une structure uniforme à grains fins-adaptée au traitement thermomécanique.

La réduction du magnésium domine l'offre mondiale, car les sous-produits du magnésium et du chlore-peuvent être récupérés et renvoyés au chlorateur, ce qui donne une meilleure cohérence du produit et des niveaux d'impuretés métalliques plus faibles. La réduction du sodium peut produire une éponge légèrement plus fine mais consomme beaucoup plus de réducteur par tonne de métal. L’électrolyse aux sels fondus reste une voie de développement plutôt qu’un procédé commercial.

La qualité éponge a un effet commercial direct. Une éponge de qualité supérieure-avec des limites d'oxygène plus strictes est requise pour les pièces forgées aérospatiales, les implants médicaux et le service cryogénique, tandis que les qualités standard sont adéquates pour les applications de corrosion industrielle.

Pigment de dioxyde de titane et ses applications

Le dioxyde de titane (TiO2) est chimiquement stable, non-toxique et possède l'indice de réfraction le plus élevé parmi les pigments blancs courants, ce qui lui confère une opacité, une luminosité et un pouvoir colorant exceptionnels. Il est consommé par les revêtements architecturaux et industriels, les plastiques, le papier, les encres d'imprimerie, les fibres synthétiques -, le caoutchouc, les cosmétiques et les préparations pharmaceutiques.

Deux filières de production dominent. Le procédé au sulfate tolère une large gamme de matières premières et utilise un équipement simple, mais génère de grands volumes d'effluents acides qui doivent être neutralisés. Le procédé au chlorure nécessite une matière première avec une teneur en TiO2 d'environ 90 à 95 %, tout en produisant une distribution granulométrique plus étroite et une blancheur plus élevée, et le gaz vecteur de chlore peut être recyclé.

Le TiO2 cristallise sous trois formes : rutile, anatase et brookite. La brookite n'a aucune valeur pigmentaire, les qualités de pigments commerciales sont donc le rutile et l'anatase. Le rutile a un indice de réfraction plus élevé, une meilleure résistance aux intempéries et un plus grand pouvoir couvrant, ce qui en fait la qualité préférée pour les revêtements extérieurs, les plastiques et les finitions très brillantes. Anatase conserve une place où sa nuance plus bleue et sa faible abrasivité conviennent aux applications de revêtements intérieurs, de papier et de fibres.

Où le titane et les alliages de titane sont utilisés

Les alliages de titane combinent une faible densité, une résistance spécifique élevée, une excellente résistance à la corrosion, une faible conductivité thermique, un comportement non-magnétique et une biocompatibilité prouvée. Ces propriétés se traduisent par une combinaison d'utilisations finales distinctive- entre les produits de l'aérospatiale, de la transformation chimique, du médical, de la marine, de l'automobile et des produits de consommation.

Aérospatial:éléments structurels de la cellule, composants du train d'atterrissage, pièces du compresseur du moteur, fixations et conduits. La réduction de poids est le moteur : chaque kilogramme retiré d’une installation moteur renvoie un multiple de cette valeur en termes de carburant et de charge utile.

Chimie et pétrochimie :des échangeurs de chaleur à calandre-et-à tubes, des récipients sous pression, des colonnes, des canalisations, des anodes et des composants d'électrolyseur, où les chlorures et les acides oxydants détruisent les métaux moins chers.

Médical:tiges de hanche et de genou, plaques osseuses, cages vertébrales, implants dentaires et instruments chirurgicaux, généralement en qualités non alliées ou Ti-6Al-4V ELI.

Marine et dessalement :tuyauterie d'eau de mer, tubes de condenseur, faisceaux d'échangeurs de chaleur, coques submersibles et composants de plate-forme offshore.

Automobile et sport automobile :systèmes d'échappement, soupapes, ressorts et bielles sur les véhicules-hautes performances, où une masse alternative plus faible améliore la réponse.

Biens de consommation:montures de lunettes, boîtiers de montres, cadres de vélos, têtes de clubs de golf et équipements de plein air.

Spécification des produits en titane par rapport aux normes reconnues

Les acheteurs doivent lier chaque achat de titane à une spécification reconnue plutôt qu'à une description générique. Les documents les plus fréquemment référencés sont répertoriés ci-dessous ; leur commande fixe la chimie, les propriétés mécaniques, les tolérances et les obligations d'essais.

Lorsque la résistance à la corrosion est le facteur décisif, la spécification doit également indiquer le milieu d'essai, la température et toute exigence relative à un certificat d'essai de corrosion. Pour les produits soudés, le régime de qualité du soudage, le niveau d'acceptation radiographique ou pénétrant et la pratique de blindage utilisée doivent être convenus avant le soudage du premier tube.

FAQ

Q : Quelle est la différence entre l’éponge de titane et le lingot de titane ?
L'éponge de titane est le métal poreux et granulaire produit par réduction du tétrachlorure de titane ; un lingot est la forme dense et entièrement consolidée obtenue en faisant fondre cette éponge, qui est ensuite roulée ou forgée en produits d'usine utilisables.

Q : Quelles industries consomment le plus de titane ?
L'aérospatiale commerciale reste le plus grand consommateur de titane de haute qualité-, suivie de près par les applications industrielles chimiques et énergétiques telles que les échangeurs de chaleur, les canalisations et les cuves de traitement.

Q : Le dioxyde de titane est-il le même matériau que le titane métallique ?
Non. Le dioxyde de titane est un oxyde blanc stable utilisé principalement comme pigment, tandis que le titane métallique est produit à partir d'une éponge de titane et utilisé pour les composants structurels, résistants à la corrosion- et médicaux.

Q : Quelle qualité est normalement sélectionnée pour les échangeurs de chaleur des usines chimiques ?
Le titane non allié de grade 2 couvre la plupart des fonctions oxydantes et contenant des chlorures-, tandis que le grade 7 ou le grade 12 est choisi lorsque le flux de traitement est réducteur ou inhabituellement agressif.

Q : Pourquoi le titane est-il choisi pour les implants médicaux ?
Le titane est non-toxique, non-magnétique, résistant aux fluides corporels et possède un module d'élasticité plus proche de l'os que l'acier inoxydable, ce qui réduit la protection contre les contraintes et le relâchement au fil du temps.

Q : Le titane peut-il être fourni sous forme soudée ?
Oui. Les tubes et tuyaux soudés en titane sont couverts respectivement par ASTM B338 et ASTM B337 et sont largement utilisés lorsque le diamètre est grand ou que l'épaisseur de paroi rend la production sans soudure non rentable.