Introduction aux propriétés des alliages de titane
Les alliages de titane sont une classe de métaux caractérisés par leurs performances influencées par la présence d'impuretés telles que le carbone, l'azote, l'hydrogène et l'oxygène. La forme la plus pure du titane a une teneur en impuretés inférieure à 0,1 %, ce qui lui confère une plasticité élevée mais une faible résistance. Le titane pur industriel, d'une pureté de 99,5 %, présente les propriétés suivantes : densité (ρ) de 4,5 g/cm3, point de fusion de 1 725 degrés, conductivité thermique (λ) de 15,24 W/(m·K), résistance à la traction ( σb) de 539 MPa, un allongement (δ) de 25 %, un retrait de section (ψ) de 25 %, un module élastique (E) de 1,078 × 105 MPa et une dureté (HB) de 195.
1. Faible densité et haute résistance : les alliages de titane à haute résistance ont généralement une densité d'environ 4,5 g/cm3, soit seulement 60 % de celle de l'acier. Le titane pur présente une résistance comparable à celle de l'acier ordinaire, tandis que certains alliages de titane à haute résistance dépassent la résistance de nombreux aciers de construction alliés. Par conséquent, les alliages de titane possèdent une résistance spécifique (rapport résistance/densité) nettement plus élevée que les autres matériaux de structure métalliques. Cette caractéristique permet la production de pièces et de composants légers avec une résistance, une rigidité et une durabilité élevées. Les alliages de titane trouvent des applications dans les composants de moteurs, les squelettes, les revêtements, les fixations et les trains d'atterrissage.
2. Résistance thermique élevée : les alliages de titane peuvent maintenir la résistance requise à des températures élevées, dépassant les capacités des alliages d’aluminium de plusieurs centaines de degrés Celsius. Entre 150 degrés et 500 degrés, ils conservent leur résistance spécifique élevée, alors que les alliages d'aluminium connaissent une baisse notable de leur résistance spécifique à 150 degrés. Les alliages de titane peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 500 degrés, tandis que les alliages d'aluminium sont limités à des températures inférieures à 200 degrés.
3. Excellente résistance à la corrosion : les alliages de titane présentent une résistance à la corrosion supérieure à celle de l’acier inoxydable dans les atmosphères humides et les environnements d’eau de mer. Ils excellent particulièrement dans la résistance à la corrosion par piqûre, à la corrosion acide et à la corrosion sous contrainte. De plus, les alliages de titane présentent une résistance remarquable à l’acide sulfurique, à l’acide nitrique, aux chlorures et aux composés organiques chlorés. Cependant, dans des conditions de diminution de l’oxygène et des sels de chrome, le titane présente une faible résistance à la corrosion.
4. Bonnes performances à basse température : les alliages de titane conservent leurs propriétés mécaniques à basse et ultra-basse température. Certains alliages de titane, tels que le TA7, se comportent exceptionnellement bien à basse température et conservent une partie de leur plasticité même à -253 degré. Les alliages de titane sont donc des matériaux structurels essentiels pour les applications à basse température.
5. Réactivité chimique : Le titane présente une activité chimique significative, réagissant facilement avec l'oxygène, l'azote, l'hydrogène, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et l'ammoniac présents dans l'atmosphère. Le TiC dur se forme dans les alliages de titane à des teneurs en carbone plus élevées (plus de 0,2 %). Lorsque le TiN interagit avec l’azote à haute température, une couche superficielle dure se forme. Le titane absorbe l'oxygène au-dessus de 600 degrés, entraînant la formation d'une couche durcie de haute dureté. L'augmentation de la teneur en hydrogène conduit à la formation d'une couche de fragilisation. La profondeur de la surface fragile durcie causée par l'absorption de gaz peut atteindre 0,1-0,15 mm, avec un degré de durcissement de 20 %-30 %. Le titane présente également une affinité chimique significative, formant facilement une adhésion avec les surfaces de friction.
6. Conductivité thermique et module élastique : Le titane possède une faible conductivité thermique, environ un quart de celle du nickel, un cinquième de celle du fer et un quart de celle de l'aluminium. La conductivité thermique des différents alliages de titane est environ 50 % inférieure à celle du titane pur. Étant donné que les alliages de titane ont un module élastique environ la moitié de celui de l’acier, ils sont moins rigides et plus sujets à la déformation. Par conséquent, les tiges fines et les composants à parois minces doivent être évités, car les surfaces de coupe et de traitement ont un volume de rebond important, environ deux à trois fois supérieur à celui de l'acier inoxydable. Ce rebond peut provoquer une friction intense, une adhérence et une usure de liaison sur la surface de l'outil.
Les alliages de titane sont composés de titane comme métal de base, complété par d'autres éléments. Il existe deux types de structures cristallines de titane : le titane, qui présente une structure hexagonale serrée en dessous de 882 degrés, et le titane, qui possède une structure cubique centrée sur le corps au-dessus de 882 degrés.
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