Titane

Le Titane

Réactualisé le 11/04/2001.
Textes et photos de Georges.

Présentation du titane.

Bien que le titane soit un élément fort abondant de l'écorce terrestre, ce n'est que vers le début des années 1950 que l'on a commencé à l'utiliser sous une forme métallurgique à l'état pur ou allié, car les difficultés liées à sa métallurgie extractive et les problèmes posés par sa mise en oeuvre sont nombreux. Ceci explique son prix élevé par rapport à celui des autres métaux.

Les caractéristiques tout à fait particulières du titane et de ses alliages en font un métal de choix pour de nombreuses applications, notamment dans les domaines aéronautique et aérospatial et dans l'industrie chimique, et bien sûr, en modèle réduit. La masse volumique du titane est de 4540kg/m³, ce qui la situe entre celles de l'aluminium et du fer; toutefois, le rapport résistance mécanique / masse volumique des alliages de titane est nettement supérieur à celui des autres métaux.

La résistance à la corrosion du titane et de ses alliages est également excellent. Il se produit en effet une passivation par formation d'un film protecteur de dioxyde de titane. Sa résistance à la corrosion est supérieure à celle des aciers inoxydables. Le titane est insensible aux chlorures et est à peu près insensible à la corrosion caverneuse et à la corrosion par piqûres; cependant, dans certaines conditions particulières, certains alliage de titane peuvent subir une corrosion sous tension.

Les alliages de titane peuvent manifester une bonne tenue mécanique à chaud, jusqu'aux environs de 700°C, et une bonne résistance à l'oxydation; toutefois, à des températures plus élevées, ils risquent de se charger en impuretés (oxygène, hydrogène), ce qui altère leurs propriétés mécaniques.

Titane non allié.

A hautes températures, la structure cristalline du titane est cubique centrée (titane beta); à 882°C, il subit une transformation allotropique: sa structure devient hexagonale compacte (titane alpha). La transformation beta-alpha se fait par transformation martensitique et par un mécanisme de germination et de croissance par diffusion, comme c'est le cas pour la transformation allotropique du fer gamma-alpha. Ce phénomène exerce une très grande influence sur les microstructures du titane et de ses alliages.

Phase alpha		Phase beta
	<- 882°C ->
maille hexagonale compacte		cubique centrée

Grâce au rapport c/a de la maille hexagonale du titane, où c/a = 1.587, il y a suffisament de systèmes de glissement (sur les plans de base et sur les plans prismatiques) pour que ce métal soit ductile à toute température et qu'il ne présente aucune transition ductile-fragile.

Bien que la limite d'endurance du titane soit mal définie, sa limite à la fatigue à 108 cycles est bonne et au moins égale à la moitié de sa résistance en traction.

Le titane est sensible à la présence d'impuretés en solution d'insertion (H, C, O et N). Ces éléments, puisqu'ils sont plus solubles dans la phase alpha que dans la phase beta, ne peuvent pas être mis en solution sursaturée par trempe et n'exercent que peu d'effets durcissants. A cause de la formation de composés intermétalliques (hydrures, carbures, etc), ces éléments ont un effet néfaste sur la ténacité et la ductilité du titane; on tend par conséquent à limiter leur présence autant que faire se peut. L'oxygène a un effet durcissant, tandis que l'hydrogène améliore la ductilité.

Le titane non allié est utilisé dans l'industrie aéronautique et dans les industries chimique et cryogénique.

Les alliages de titane.

Dans les alliages de titane, les éléments d'addition influent sur la stabilité des phases alpha et beta. On distingue en général :

les éléments alphagènes que sont l'aluminium et les éléments en solution d'insertion, tel que O, C et N, qui ont pour effet d'augmenter la température de transformation alpha-beta;
les éléments betagènes qui, au contraire, abaissent cette température de transformation. Les éléments betagènes peuvent être isomorphes (V, Mo, Nb, et Ta) ou eutectoïdes (Fe, Cr, Mn et Si).

Certains éléments (Sn et Zr) sont par ailleurs neutres.

Les alliages industriels de titane comportent au moins deux éléments d'addition; on les classe, selon leur structure à température ambiante, en alliages alpha, alpha-beta et beta.

Applications du titane.

Une énumération exhaustive des applications du titane serait beaucoup trop longue. Elles sont cependant résumées dans le tableau ci-dessous, regroupant également également celles évoquées auparavant.

Caractéristiques	Applications
Résistance spécifique élevée	Pièces pour aéronautique et aérospatiale Pièces pour automobile Industrie du loisir (en modélisme, par exemple, des biellettes à pas inversés, des axes de triangles, des pignons moteurs, etc.)
Biocompatibilité	Armatures et bracelets de montre Implants in situ
Non-dissolution en ions métalliques	Cryogénie Containers pours alcools et acides Bouteilles thermos et enceintes adiabatiques Récipients et conduits pour eau et autres produits de très grandes puretés
Faible coefficient de frottement	Revêtements en couche mince (revêtement de nitrure de titane ou "Titanium gold" sur les pignons moteurs ou sur les tiges d'amortisseurs) Elément de toiture pour zones enneigées Dragueurs de mines Eléments de coques de bateaux
Amagnétisme	Electronique Cablâge
Colorisation possible par anodisation	Eléments de mobilier Signalisation routière et mobilier urbain
Faibles valeurs du module de Young	Soufflets Têtes de foreuse Ressorts de précision
Faible coefficient de dilatation thermique	Plongeurs Canalisations en milieu spécifique Appareillage de précision
Faible sensibilité aux vibrations	Armatures pour miroir (optique, automobile)

Bibliographie: