Titane de grade 1 ou de grade 2 : composition, résistance et formabilité

Deux qualités commercialement pures, une famille chimique

Le titane de grade 1 et de grade 2 fait partie de la famille commercialement pure (CP) définie par ASTM B265 pour les feuilles, les bandes et les plaques et par ASTM B348 pour les barres et les billettes. Aucune des deux qualités n'est intentionnellement alliée, et la différence la plus importante entre elles est la quantité d'oxygène que le broyeur laisse dans le métal. Cet élément interstitiel régit la limite d'élasticité, le taux d'écrouissage, le rayon de courbure minimum qu'un fabricant peut atteindre et la quantité de retour élastique qui doit être compensée dans une presse plieuse ou une matrice de formage.

Étant donné que les deux qualités partagent le même réseau cristallin hexagonal -compacté, la même densité de 4,51 g/cm3 et le même film d'oxyde auto-réparateur-, elles sont fréquemment traitées comme interchangeables sur les dessins. Dans la pratique, nommer une mauvaise qualité gaspille un budget en termes de résistance que le composant n'utilise jamais ou produit des fissures dans les coupelles embouties -, les tubes à paroi mince - et les supports étroitement courbés.

Comparaison des limites de composition chimique

Le tableau 1 répertorie les niveaux d'éléments maximaux admissibles pour les deux qualités selon ASTM B265 et ASTM B348. Le grade 2 permet plus de fer et plus d’oxygène, ce qui augmente sa résistance et diminue son allongement.

L'oxygène est une solution solide-renforçante dans l'alpha-titane : elle déforme le réseau cristallin et rend le mouvement des dislocations plus difficile. Une augmentation de 0,07 point du taux maximal d’oxygène entre le Grade 1 et le Grade 2 produit donc une modification disproportionnée du comportement mécanique plutôt que marginale.

Propriétés mécaniques côte à côte

Mesuré par rapport aux valeurs minimales garanties, le grade 2 offre environ 44 % de résistance à la traction en plus et près du double de la limite d'élasticité du grade 1, et il ne cède que quatre points de pourcentage d'allongement pour y arriver. Étant donné que les deux qualités ont une densité identique, la résistance supplémentaire ne coûte jamais plus de poids, ce qui est important dans les travaux sur rotor, cellule et châssis où le budget de masse est fixé à l'avance.

Formabilité, comportement au soudage et à l’usinage

Le grade 1 est le titane commercialement pur le plus doux disponible en général et constitue le choix naturel lorsqu'une pièce doit être façonnée plutôt que chargée :-coupelles embouties, sections hydroformées, tubes d'échangeur thermique à paroi mince--, soufflets d'expansion et panneaux uniques complexes-. Son allongement élevé lui permet d'accepter des rayons de courbure serrés et nécessite moins de recuit entre les étapes - que le grade 2.

Grade 1 : rayon de courbure minimum généralement environ 1,5 à 2 fois l'épaisseur de la tôle à l'état recuit.

Grade 2 : rayon de courbure minimum généralement d'environ 2 à 2,5 fois l'épaisseur de la tôle, et il durcit plus rapidement, de sorte que les opérations de formage progressif nécessitent des rayons plus généreux ou des recuits supplémentaires.

Les deux qualités se soudent proprement avec des méthodes de gaz inerte au tungstène ou de plasma sous un blindage complet à l'argon, en utilisant un agent de remplissage ERTi-1 ou ERTi-2 selon AWS A5.16 ; Le grade 2 est le plus indulgent des deux car il est moins sensible aux légères variations de l’apport de chaleur.

L'usinage est comparable pour les deux nuances et toutes deux sont classées comme difficiles : une faible conductivité thermique concentre la chaleur au niveau de l'arête de coupe, et le faible module élastique favorise la déflexion et le broutage. Des outils en carbure tranchants et à râteau positif-, des fixations rigides et un liquide de refroidissement généreux ou à haute-pression sont une pratique courante.

Service aérospatial et température élevée

En ce qui concerne le matériel de vol, le grade 2 est spécifié beaucoup plus souvent que le grade 1. Les composants typiques comprennent les supports et raccords de cellule, les supports de conduites hydrauliques, les accessoires de moteur, les pièces détaillées du train d'atterrissage, les fixations et le matériel de connecteur. Les raisons en sont la résistance garantie plus élevée, le comportement prévisible en fatigue sous charge cyclique et une microstructure stable qui maintient sa rigidité jusqu'à environ 300 degrés C en service continu, ce qui couvre la plupart des environnements de cellule et de compartiment moteur.

Le grade 1 apparaît dans l'aérospatiale dans un rôle différent : conduits, écrans thermiques, joints de dilatation et cales ou éléments d'étanchéité où la conformité plutôt que la capacité de charge est le facteur de conception. La certification pour l'une ou l'autre qualité est normalement liée à l'ASTM B265 ou à l'ASTM B348 avec une traçabilité complète du numéro thermique-, et pour le matériel implantable ou médical-adjacent, l'ASTM F67 régit les exigences de composition commercialement pure.

Sport automobile et fabrication générale

Le sport automobile suit la même logique avec un cycle de conception plus court. Le grade 1 est utilisé pour les systèmes d'échappement, les écrans thermiques, les panneaux de protection et les carrosseries fabriquées à la main-où la ductilité et la soudabilité décident du résultat. Le grade 2 est utilisé pour les bras de suspension, les montants, les supports de châssis, les composants internes du moteur et les fixations à haute contrainte-, où la limite d'élasticité compte plus que la capacité à se plier.

L'avantage en termes de poids est l'argument commercial : un montant ou un lien de suspension de grade 2 supporte environ 45 % de la masse d'un composant en acier comparable à rigidité équivalente, tandis que les fixations en acier de grade 8,8 ou 10,9 sont généralement remplacées par des fixations en titane de grade 2 pour économiser de la masse dans les emplacements non suspendus.

Résistance à la corrosion et performance environnementale

Les deux qualités reposent sur un film passif de dioxyde de titane de quelques nanomètres d'épaisseur qui se reforme instantanément lorsqu'il est rayé en présence d'oxygène ou d'humidité. En pratique, les deux grades se comportent presque de la même manière dans les environnements de service :

Immersion continue dans l'eau de mer et exposition répétée aux-embruns salins, sans piqûres ni fissures dans des conditions normales.

Flux de processus contenant du chlore, de l'hypochlorite et du chlorure-dans les usines chimiques et les systèmes de dessalement.

Acides oxydants et milieux légèrement réducteurs, où le film passif est maintenu par les espèces oxydantes présentes.

Atmosphères industrielles et marines pendant des décennies, sans aucun revêtement de protection requis.

Trois limites méritent attention lors de la conception. Le titane ne convient pas à l'acide fluorhydrique, aux acides réducteurs chauds concentrés ou au chlore sec sans eau. Le couplage galvanique à l'acier au carbone ou à l'acier inoxydable dans un environnement humide doit être géré avec isolation ou en évitant les grands ratios de surface cathode-à-anode. Et l'absorption d'hydrogène à température élevée en présence d'humidité peut fragiliser les sections minces, c'est pourquoi le niveau d'hydrogène maximum de 0,015 % est étroitement contrôlé dans les deux qualités.

Comment choisir entre la 1re et la 2e année

Choisissez le grade 1 lorsque la gravité du formage, la soudabilité ou la tolérance aux chocs déterminent la conception, ou lorsque la pièce est un couvercle, un bouclier, un conduit ou un joint avec peu de charge structurelle.

Choisissez le grade 2 lorsque la pièce supporte une charge structurelle, lorsque la résistance à la fatigue doit être démontrée ou lorsqu'une épaisseur de paroi plus légère peut être obtenue avec une limite d'élasticité plus élevée.

Conservez la qualité indiquée sur le dessin publié une fois que les tests de qualification et les procédures de soudage ont été approuvés ; le passage d'une qualité à l'autre modifie la qualification de la procédure de soudage et nécessite parfois une re-certification de la pièce finie.

N'utilisez jamais les deux qualités de manière interchangeable dans les composants médicaux ou les équipements sous pression, où les limites de conception sont liées aux spécifications et à la qualité spécifiques.

Foire aux questions

Q : Quelle est la principale différence entre le titane de grade 1 et le titane de grade 2 ?
Teneur en oxygène. Le grade 1 est limité à 0,18 % d'oxygène et le grade 2 à 0,25 %, ce qui rend le grade 2 environ 44 % plus résistant en tension et environ deux fois plus résistant en termes d'élasticité, tandis que le grade 1 conserve un allongement plus élevé et se forme plus facilement.

Q : Le titane de grade 1 et de grade 2 a-t-il le même poids ?
Oui. Les deux ont une densité de 4,51 g/cm3 et le même module élastique d'environ 102 GPa, donc le changement de qualité modifie la résistance et la ductilité mais pas la masse d'une pièce identique.

Q : Les grades 1 et 2 peuvent-ils être soudés l’un à l’autre ?
Oui. Les deux sont en titane alpha avec un comportement de soudage comparable, et un fil d'apport de grade 2 selon AWS A5.16 est normalement utilisé pour les assembler, à condition que la procédure soit qualifiée pour le plus fin ou le plus retenu des deux matériaux.

Q : Quelle qualité est la plus résistante à la corrosion ?
Dans l'eau de mer, les chlorures et la plupart des atmosphères industrielles, la différence est négligeable car les deux dépendent du même film d'oxyde passif. Lorsque la tolérance à la corrosion détermine l'épaisseur de la paroi, le grade 1 est souvent sélectionné pour gagner un peu de ductilité supplémentaire et réduire les coûts.

Q : Quelle qualité est la meilleure pour l’emboutissage profond ?
Grade 1. Son allongement plus élevé de 24 % minimum et sa limite d'élasticité inférieure permettent des étirages plus profonds et des rayons de courbure plus serrés avant la fissuration, et il nécessite généralement moins de recuits intermédiaires que le grade 2.

Q : Quelles normes couvrent les produits des usines de qualité 1 et 2 ?
ASTM B265 et ASME SB-265 pour les tôles, bandes et plaques, ASTM B348 pour les barres et les billettes, ASTM B337 pour les tubes sans soudure, ASTM B338 pour les tubes soudés, ASTM B863 pour les fils et ASTM F67 pour la qualité médicale du titane commercialement pur.

Q : Quelle qualité doit être utilisée à 300 °C ?
Le grade 2 est le choix habituel pour un service continu à cette température, car il conserve la résistance utile avec une marge plus grande que le grade 1, bien que le comportement au fluage et la conception des joints doivent encore être revus pour un fonctionnement à long terme.