Les alliages de titane
Elisabeth Aeby-Gautier
LSG2M CNRS UMR 7584 - Ecole des Mines de Nancy
1
Plan
Introduction
1 Généralités
2 Le titane pur et les familles d’alliages de titane
les éléments d’alliage
les titanes CP (commercialement pur),
les familles d’alliage : a, a+b, b métastable
3 Les propriétés des familles d’alliages de titane
propriétés mécaniques
propriétés mécaniques spécifiques
corrosion
bio compatibilité
(influence de la microstructure (famille de matériaux))
4 Mise en œuvre - Soudage
(quelques points)
2
Introduction
Titane et de ses alliages : marché existe depuis les années 50.
Les utilisations du matériau sont en relation avec
ses différentes structures, propriétés mécaniques
ses propriétés chimiques
ses propriétés physiques
Deux qualités technologiques remarquables :
Résistance mécanique spécifique élevée (exprimée selon le quotient
résistance à la traction / masse volumique)
Résistance à la corrosion très grande dans différents
environnements agressifs (corrosion chimique, résistance à
l’oxydation jusque 600°C).
3
1. Généralités - Marché du titane
Les minerais de titane sont abondants (9ième élément dans l’écorce terrestre,
3% lune).
Avant 1940 (dépôt de brevet pour la production de titane Procédé KROLL a de
réduction par carbo-chloruration de l'oxyde de titane) il n'était pas possible de
produire, à des coûts raisonnables
Aujourd'hui son coût unitaire apparaît encore comme élevé et son marché comme
limité
Métal
Demande mondiale
(1000 tonnes)
$/tonne
Acier
730.000
400
Aluminium
20.000
1.500
Aciers Inox
13.000
2.000
50
18.000 à
25.000
Titane
58 à 69 2005
64 à 74 2006
(prix à la tonne plutôt
qu'en prix au m3 et en
tonnage plutôt qu'en
volume)
Association titane http://www.titane.asso.fr
150€ kg billette
4
MARCHE APPLICATIF
AERONAUTIQUE CIVILE
AERONAUTIQUE MILITAIRE
ENERGIE/CHIMIE
CONSOMMATION
Tonnes (mondiale)
14000 - 18000
20000 - 24000
2003
2005
8000 – 10000
9000 – 12000
2003
2005
20000-23000
22000 – 25000
2003
2005
SPORT & LOISIRS
3000 t
BATIMENT
500 t
MEDICAL
800 t
AUTRES (dont lunetterie)
1000 t
TOTAL
48000-58000
58000 – 69000
2003
2005
http://www.titane.asso.fr
5
1. Généralités - Élaboration
Titane est obtenu à partir de deux minerais
Rutile (forme naturelle du dioxyde de titane 97 à 98.5% TiO2)
Ilménite (mélange de titanate et d’oxydes de fer, teneur
maximale en Ti 30%)
Élaboration du titane et de ses alliages passe par deux étapes
Métallurgie extractive
Élaboration secondaire d’un lingot
Elaboration VAR (refusion de l’électrode sous vide)
Refusion sur sole froide
6
Refusion de l’électrode sous vide (VAR)
Lingot de diamètre entre 500 et 1000
mm
Poids entre 1 et 10 tonnes
Schéma de principe du procédé VAR
(Vacuum Arc Remelting)
Yves Combres Techniques de l’Ingénieur
Carte de répartition du molybdène dans un lingot de 3 t
en diamètre 660 mm en alliage b-CEZ, simulé par le
logiciel SOLAR (doc. École des Mines de Nancy / CEZUS
7
France)
Refusion sur sole froide (depuis fin des années 1980)
Élaboration complexe.
Travail important sur la qualité du métal liquide et
l’homogénéité du lingot (ségrégation, b fleck,
particules (TiN …)).
8
2. Le titane pur et ses alliages
2.1 Le titane pur
Propriétés physiques du titane pur
Propriété
Valeur
Unité
Numéro atomique
22
-
Masse atomique
47,9
g
Masse volumique
4,51
g.cm-3
Température de transf. allotropique
882
°C
Température de fusion
1670
°C
Température d’ébullition
3287
°C
Capacité thermique massique
522
J . Kg . K-1
Conductivité thermique
16,7
W . m-1 . K-1
Résistivité électrique à 20°C
47,8 10-8
W.m
Coefficient de dilatation linéaire à 20°C
8,5 10-6
K-1
Susceptibilité magnétique
3,2 10-6
cm3 . g-1
Module d’élasticité
110000
MPa
Coefficient de Poisson
0,33
-
9
2.1 Le titane pur
Caractéristiques mécaniques du matériau polycristallin
Module d’élasticité :
110 000 MPa
Limite d’élasticité :
350 MPa
Contrainte de Rupture :
450 MPa
Allongement à rupture :
28%
Alliage monocristallin HCP : anisotropie de comportement élastique
E 145 GPa (direction axe c)
E 100 GPa (direction axe a)
Comportement sensible à la texture
10
2.1 Le titane pur
Transformation allotropique du titane pur
Le titane pur
T> 1 670°C
phase β phase liquide
T> 882°C
Température de transus β
structure CC phase β.
T< 882°C
structure hexagonale
pseudo compacte phase a
(rapport c/a = 1.587 <1.633)
11
Le passage de phase β a se fait selon le mécanisme proposé par
Burgers
T<Tb
Relations d’orientations
de Burgers
882°C
T>Tb
(1 1 0)b // (0 0 0 1)a
[1 1 1]b // (2 1 1 0)a
(1 1 2)b // (0 1 1 0)a
12
Microstructure formée au refroidissement :
morphologie lamellaire
12 variants dans un même grain b
Texture de
transformation
13
2.2 Les alliages de titane/les familles d’alliages de Ti
Les éléments d’addition
Les éléments d’addition sont classés en trois groupes
alphagènes, bêtagènes ou neutres.
O, N,
B, C
H
éléments alphagènes
stabilisent la phase a, augmentent la
température Tb, étendent le domaine
de phase a.
éléments bêtagènes,
• les éléments b isomorphes, miscibles
en toutes proportions dans la phase b :
• les éléments b eutectoïdes, pouvant
former des précipités
éléments neutres, tels que le zirconium
(Zr) et l’étain (Sn).
14
Les principales familles d’alliages
Il est usuel de classer les alliages de titane suivant leur composition et les
phases dominantes à température ambiante
Selon la nature des phases présentes à la température ambiante à l’état d’utilisation :
alliages
a
constitués de 100 % de phase a ;
ex Ti 40 Ti 0.2Fe
TA5E (Ti5%Al 2,5%Sn)
alliages
a+b
alliages
b
possédant des proportions très variables de phase a et b ;
contenant 100 % de phase b.
La classe des alliages a + b est extrêmement vaste  sous-classes
15
Les principales familles d’alliages
La classe des alliages a + b
• quasi a ou super a: alliages possédant de la phase b à une teneur de quelques pour-cent (< 5
%)
Ex Ti6242 (Ti6AL2Sn4Zn2Mo) ou IMI 685(TA6Zr5D Ti6Al5Zr0.5Mo0.2Si)
• a+b : alliages dont la teneur en phase b est comprise entre 5 et 20 % ;
Ex TA6V4 (Ti6AL4V) Ti6246 (Ti6Al2Sn4Zr6Mo)
• b riches : alliages susceptibles de retenir une phase métastable à la température ambiante
par refroidissement très rapide (a’ ou bm qui se transformera, par traitement thermique, en
phases a et b avec des teneurs de phase b à l’équilibre voisines de 20 à 25 % ;
Ex : Ti 17 (Ti5Al2Sn2Zr4Mo4Cr) et b-Cez (Ti 5Al2Sn4Zr4Mo2Cr1Fe)
• b métastables (bm) : alliages susceptibles de retenir de la phase b métastable à l’ambiante
par refroidissement moyennement rapide, cette dernière se transformant en phases a et b
stable avec 25 à 35 % de phase b.
Ex : LCB Timet (Ti1.5Al6.8Mo4.5Fe) b 21S (Ti 0.2Al 15Mo2.8Nb) Ti 10-2-3 (Ti3Al10V2Fe)
16
A l eq uiv .
10
5
M o eq uiv .
0
5
10
15
20
25
ALLOY
Tß
°C
5 .8 A l-4 S n-3 .5 Z r-0 .7 N b -0 .5 M o-0 .3 S i-0 .0 6 C
1913
1045
Ti 1100
6 A l-2 .7 5 S n-4 Z r-0 .4 M o-0 .4 5 S i
1859
1015
1859
1015
1877
1025
6 A l-2 S n-4 Z r-2 M o-0 .1 S i
1823
995
8 A l-1 M o-1 V
1922
1050
1742
950
1795
979
1832
1000
6 A l-6 V -2 S n
1751
955
4 .5 A l-1 .6 V -2 M o-0 .5 F e-0 .3 S i-0 .0 3 C
1770
Ti 685
6 -2 -4-2
“ N ea r a ”
Ti 834
Ti 829
8 -1 -1
5 -1 -1-1
6 A l-4 V
“a + ß ”
6 -6 -2
Ti 550
6 -2 -2-2 -2
1 5-3-3 -3
LC B
ßC
1805
985
1724
940
1670
910
1652
900
1634
890
1418
770
1472
800
1580
860
1 5 M o-2 .7 N b -3 A l-0 .2 S i
1544
800
1 5 V -3 C r-3 A l-3 S n
1400
760
1463
795
1247
675
5 A l-2 S n-4 Z r-M o-2 C r -1 F e
5 A l-2 S n-2 Z r-4 M o-4 C r
T i-1 7
ß21 S
1010
4 .5 A l-3 V -2 M o -2 F e
ß CEZ
555
1850
6 A l-2 S n-4 Z r-6 M o
SP 700
1 0-2-3
975
6 A l-2 S n-2 Z r-2 M o-2 C r -0 .2 5 S i
6 -2 -4-6
965
1787
4 A l-2 S n-4 M o -0 .5 S i
6 A l-2 F e-0 .1 S i
62S
ß III
6 A l-5 Z r-0 .5 M o-0 .2 5 S i
5 A l-1 S n-1 Z r-1 V -0 .8 M o
T i 6 -4
Ti 9
5 .5 A l-3 .5 S n-3 Z r-1 N b -0 .2 5 M o-0 .3 S i
2 .2 5 A l-1 1 S n-4 Z r-1 M o-0 .2 5 S i
Ti 679
“ N ea rß”
T IT A N IU M A L L O Y C L A S SIF IC A T IO N
Tß
°F
1 1 .5 M o-6 Z r-4 .5 S n
1 0 V -2 F e-3 A l
5 A l-5 V -5 M o -3 C r-0 .5 F e
6 .8 M o-4 .5 F e-1 .5 A l
3 A l-8 V -6 C r-4 M o -4 Z r
A l equ ivalen t (w /% ) = A l + S n /3 + Z r/6 + 10 (0 2 + N 2 )
M o equ ivalen t (w /% ) = M o + 2V /3 + N b /3 + 3 (F e + C r)
Timet
17
Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane
18
Les aluminures de titane
Nouvelle famille (intermétalliques) qui suscitent un grand intérêt
Ils sont basés sur les composés Ti3Al, TiAl
Structures ordonnées bonne stabilité à haute température, mais fragile à
température ambiante
19
Principales propriétés des familles d’alliage
Y. Combres Techniques de l’ingénieur
20
Principales propriétés des familles d’alliage
Type
d’alliage
Avantages
Inconvénients
a
Bonne stabilité sous contrainte à chaud
Bonne tenue au fluage jusque vers 650°C
Emploi aux températures cryogéniques (nuances
ELI)
Bonne soudabilité
Ductilité au pliage inférieure à celle des
alliages a+b et considérablement plus
faible que celle des alliages b
Transformation à chaud demandant plus de
puissance mécanique
Peu de réponses aux TT
a+b
Caractéristiques mécaniques élevées par TT
Assez bonne ductilité, y compris au pliage
Bonne stabilité sous contrainte à chaud jusque
vers 500°C
Assez bonne résistance à l’oxydation
Soudabilité fonction de la nuance et des
procédés
Ductilité des soudures inférieures à celles
des alliages a
Trempabilité limitée
Ductilité au pliage inférieure à celle des
alliages b riches
Fin de laminage ou de forgeage dans le
domaine a+b
b riche
Excellente ductilité et résistance moyenne à l’état
trempé
Possibilité d’obtention de très hautes résistances,
à l’ambiante, éventuellement après conformation à
froid
Trempabilité élevée
Moins bonne tenue à l’oxydation et au
fluage
Faible stabilité à chaud sous contrainte
Température maximale d’emploi 350 à
450°C suivant les alliages
quasi a
(hors TNA)
bmétastable
Propriétés des alliages = f (microstructure)
bCez : 970 ou 1700MPa Re0.2
21
2.2 Les alliages de titane – diagramme d’équilibre
Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane
T
a
a+b
b métastable
b
b
(BCC)
Tb
Ms
a
(HCP)
20°C
% éléments b gènes
% éléments a gènes
Mo, V, Nb, Ta,
Fe, Cr, Ni, Cu, W, Co
O2, N2, B, C, Al
22
2.2 Les alliages de titane – diagramme d’équilibre
Equilibre thermodynamique :
fraction de phase en présence
Évolution du taux de
phase a en fonction
de la température
(~équilibre)
23
2.2 Les alliages de titane
Equilibre thermodynamique: composition chimique
Répartition des éléments d’alliage en fonction de la
température Alliage TA6V4
24
2.3 Microstructures des alliages de titane
à température ambiante alliages constitués de phase a + b
Morphologie a globulaire
obtenue par TTM dans le domaine
biphasé a+b et TT ultérieurs
a
Ti 6242 (a+b)
MO
Morphologie a lamellaire
obtenue pat TTM dans le domaine
b et TT ultérieurs
Complexité des microstructures :
fonction des TTM
Ti 6242 (a+b)
Propriétés : f(microstructures)
25
2.3 Microstructures des alliages de titane
Microstructures types
Exemples de
morphologies de TA6V
26
Coexistence de plusieurs échelles
de morphologies dans le cas de
l’alliage TD5AC (Ti 4.5%Al 5%
Mo 1.5%Cr)
Y. Combres
27
2.3 Microstructures des alliages de titane
Transformations structurales
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages a+b :
Ti64 : 6%Al 4%V
(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)
28
2.3 Microstructures des alliages de titane
Transformations structurales
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages a+b :
Ti64 : 6%Al 4%V
(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)
29
2.3 Microstructures des alliages de titane
Transformations structurales
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages a+b :
Ti64 : 6%Al 4%V
Phase a et phase b :
morphologie, taille
fonction du traitement
Phase a’ : phase hexagonale
comme a, mais ayant la même
composition chimique que le b
d’origine ; obtenue par
trempe rapide de la phase b.
(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)
30
IV Les alliages briches et bmétastables
Alliages trempants :
durcissement de l’alliage par précipitation
différents mécanismes de transformations de phases
Diagrammes TRC
Diagramme TRC de l’alliage TA6V, après mise en solution
à 1025°C
Diagramme TRC de l’alliage b-CEZ, après 30 minutes de
mise en solution à 920°C (S. Bein Thèse CNAM 1996)
31
2.3 Microstructures pour les alliages de titane
Types de traitements
température
b
a+b
temps
température
Contrôle de
a primaire
Contrôle de a
secondaire
TiTi17
6242
b
a+b
temps
Morphologie globulaire +
Ti 6242
lamellaire
(Ti17)
32
3. Propriétés des alliages de titane
Généralités relations microstructure propriétés Influence de la morphologie de la phase a
Structures équiaxes / globulaires :
quand la taille des grains augmente
La résistance diminue quand taille des grains augmente (effet Hall Petch)
La ductilité décroît (empilements des dislocations sont plus longs, plus grande
concentration de contrainte en tête d’empilement donc microfissuration interfaces
a/b fragiles)
Ténacité est réduite (baisse de résistance et ductilité, et fissure moins perturbée
dans sa propagation)
Tenue à la fatigue diminue (cf. ténacité)
Résistance au fluage augmente (pour les alliages de titane elle est régie par le
fluage de la phase a, (coefficients de diffusion 1000 fois plus faible qu’en b) ;
Vitesse de fluage sont inversement proportionnelle à la taille des grains)
33
3. Propriétés des alliages de titane
Généralités relations microstructure propriétés Influence de la morphologie de la phase a
Structures lamellaires mêmes tendances
mais
La ténacité est augmentée : due à la tortuosité des chemins de propagation
La vitesse de propagation des fissures diminue
par contre par de gain en fatigue car la germination des fissures à l’interface a/b est
très aisée dans le cas d’une structure lamellaire.
34
3.1 Propriétés
Titane commercialement pur (Ti CP)
Il constitue une large part d’utilisation des alliages de titane ( 35%).
la teneur en titane varie de 99,5 à 99,0%.
Éléments résiduels sont apportés par les matières premières.
Les éléments principaux sont le fer, le carbone, l’oxygène, et l’azote qui sont des éléments
interstitiels.
Le titane est principalement allié à l’oxygène et au fer, afin d’améliorer les caractéristiques
mécaniques.
Pour classer les alliages on détermine un % d’Oxygène équivalent qui permet de déterminer le
grade et les propriétés de l’alliage :
%O équivalent = %O + 2%N+0,67%C
Chaque 0,1% d’Oxygène équivalent (interstitiel) augmente la résistance d’environ 120 MPa.
Cette augmentation de résistance s’accompagne d’une diminution de ténacité.
35
3.1 Propriétés
Titane commercialement pur (Ti CP)
Propriétés mécaniques
Minimum
Grade 1
Grade 2
Ti 40
Grade
3
Grade
4
Charge à
rupture - MPa
240
340
450
550
Limite
d’élasticité MPa
170
275
380
480
Allongement %
25
20
18
15
Timet data sheets http://www.timet.com
36
3.1 Propriétés
Titane commercialement pur (Ti CP)
Déformable à froid
Excellente soudabilité
(notamment pour les faibles teneurs en Oeq)
Non trempant
Microstructure de grains a équiaxe
37
3.1 Propriétés
L’alliage TA6V4
Conditions de TT
Rm (MPa)
Rp 0.2
(MPa)
A (%)
Z (%)
Forgé a+b
Etat recristallisé
880
710
13
36
Forgé a+b
Etat recuit
897
828
10
25
Forgé a+b
+ 4H 594C
938
876
15.2
34
Forgé a+b
+ 24H 594C
973
904
15.5
47
Forgé b R.Air +
705°C
856
773
11.2
23
Forgé b R. Eau +
705°C
932
863
5.9
6
J.C. Williams and E.A. Starke in Deformation processing and structure G. Krauss ASM 1984
38
3.1 Propriétés
Comparaison de divers alliages
Propriétés à température ambiante
Nuance
Rm (MPa)
Rp 0.2
(MPa)
A (%)
E (GPa)
Ti : CP T40
483
352
28
110
Quasi a : IMI 685
1020
914
8
110
a+b : TA6V4
1000
910
18
110
a+b : IMI 550
1138
1035
12
110
b-Cez
1250
1150
11
115
b-Cez max
1700
1650
7
115
b-Cez 100% b
927
723
9
70
39
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
Propriétés à température ambiante
Résistance à la propagation de fissure
Nuance
Ténacité (K1C)
MPa M
Fatigue
DK seuil
MPam
DK à 10-4
mm/cycle
MPam
40-60
10
15-20
70-90
10
>20
b-Cez équiaxe
35-50
5
10
b-Cez lamellaire
70-90
5
15-20
b-Cez lamellaire tsc
70-100
5
15-20
T 40
IMI 685
TA6V4équiaxe
TA6V4 lamellaire
60-70
60-70
Y. Combres Technique de l’ingénieur
40
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
Propriétés à température ambiante
41
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
Propriétés en fonction de la température (température élevée)
Comportement pour des temps courts
Meilleurs compromis pour les alliages b métastable traités
thermiquement
Comportement en fluage
Meilleure tenue des alliages a et pseudo a
Alliage conçus pour
Des tenues à chaud durées courtes
Ti 6246 (Ti 6%Al 2%Sn 4Zr 6%Mo)
Tenue au fluage
Ti 6242 (Ti 6%Al 2%Sn 4Zr 2%Mo) avec ajout de
silicium
42
Fluage
M. Katcher Metals Engineering Quaterly ASM 1958
Résistance spécifique des alliages
de titane Fluage 0,2% 300h
Y. Honnorat et D. Girault Matériaux et
Techniques 1988 p 89
43
Comportement aux températures cryogéniques
Influence de la température sur Re0.2 et Rm
Y. Combres technique de l’ingénieur
44
C ontrainte en service
D ensité
(M P a)
350
T A 6V E L I
T A 5E E L I
300
R 1914
FT 800
250
200
C om posites R ésine E po xy
fibre de carbone
d = 1,8
C om posites R ésine P olyim ide
fibre de carbone
d = 1,8
A ciers m artensitiques
d = 7,8
A lliages F eN iC r
forgés
d = 7,8
A lliages de T itane
d = 4,5
S uperalliages de N ickel
F orgés
d = 8,2
S uperalliages de N ickel
M dP filé + forgé isoth .
d= 8
S uperalliages de N ickel ou C obalt
C oulé E quiaxe
d = 8 9
S uperalliages de N ickel
C oulé m onocristaux
d = 8,4
M araging
40C D V 12
718
150
B T 25Y
T i17
B ase N ickel
625 H astelo y X
R ené 95
17 4 P H
100
T A 6V
A stro lo y
6242
N 18
B ase A lu
685
834
W aspalo y
H astello y
R 77
IN 100
M A R M 509
AM 1
SiC -S iC
0
100
300 (R T )
500
700
900
1100
1300
1500 C om posites céram iques
(C erasep )
d = 2,3
T em pérature en service (K )
JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes
45
C O M P AR AIS O N D E S L IM ITE S E L AS TIQ UE S S P E C IF IQ UE S
450
A L 'A M B IA NT E E T A 2 0 K E L V IN
400
350
300
Re 0 .2 /d 2 0 K
M Pa/
g /c m 3
Re 0 .2 /d 3 0 0 K
250
200
150
100
50
0
M a ra g in g
6061
7475
A2 8 6
304
IN C O 7 1 8 T A5 E E L I T A6 V E L I T A6 V p q
JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes
46
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Corrosion
Risques de corrosion sous contrainte
• à froid dans l’eau de mer (en présence d’entailles aiguës seulement)
• dans certains milieux particuliers (tel que le méthanol anhydre)
• à chaud, en présence de NaCl fondu.
Les critères de résistance sont globalement proches de ceux qui
améliorent la ténacité :
les structures a sont sensibles à la corrosion sous contrainte ;
les structures b ont une bonne résistance ;
les alliages a-b ont une sensibilité croissante avec la teneur en
aluminium contrecarrée par l’addition d’éléments b-gènes.
47
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Résistance à la corrosion (T40)
À une solution bouillante à
90% d’HNO3
À l’eau de mer :
Écoulement
m/s
Durée
d’exposition
mois
Taux de corrosion mm/an
T40
Cu/Ni
70/30
Al
9,8
12
<0,0025
0,3
1,0
8,5
2
1,2 10-4
0,05
---
7,2
1
5,1 10-4
0,12
---
Température
du métal
116°C
Taux de corrosion
TI 40
Inox 18-8
0,03 – 0,17
mm/an
0,8 – 13,2
mm/an
http://www.associationtitane.fr
48
Pour une meilleure tenue à la corrosion, ajout de Pd
Y. Combres Technique de l’ingénieur
49
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Oxydation
Formation d’un oxyde stable TiO2
Couche adhérente stable, protectrice de quelques mm
Ceci jusqu’aux températures > 550 voire 600°C
aux T >, diffusion de l’oxygène et l’azote éléments qui
modifient les microstructures et les propriétés
50
3.3 Propriétés induites par la surface (biocompabilité)
Bonnes propriétés de biocompatibilité
Biocompatibilité des surfaces
Ti matériau bio inerte
limiter la présence de V, Ni
Biocompatibilité structurale :
Faible module d’Young,
notamment pour les alliages b ou
b-métastable
Bonne résistance mécanique
Bonne résistance mécanique
spécifique
Bio
matériaux
Résistance
à la fatigue
(MPa)
E
(GPa)
Rf / E *
10-3
OS
-
20
FeCrNiMo
(316L)
250
210
1.2
Co-29Cr5Mo coulé
300
200
1.5
CoNiCr
forgé
500
220
2.3
Ti a+b
550
105
5.2
Ti cp
200
100
1.8
Ta cp
200
200
1.3
Al2O3
0/4002
380
0/1.05
ZRO2
0/4502
170
0/2.6
PMMA
30
25
1.2
UHMWPE
16
1.2
13.3
Bonne résistance à la fatigue
Thèse G. Teixier 2005 Insa Rennes Cp commercialement pur
1 en flexion 2 en compression
51
4. Assemblage
Collage
Bridage mécanique
Soudage
Soudage avec apport de matière (pbs de contamination O2, N2)
Soudage faisceau laser, soudage faisceau électrons limitent les
pbs
ZAT structures lamellaires, aciculaires
charge de rupture, dureté augmentent
ductilité et flexion chutent
Adhésion métallurgique
réservoir d’avion
Soudage diffusion
Superplasticité combinée au soudage diffusion
52
4. Assemblage
Alliages de titane présentent une bonne soudabilité :
1.
Bonne ductilité ne nécessitant pas la réduction des contraintes
internes par préchauffage de la pièce
 Absence de fissures au cordon de soudure
2. Faible coefficient de dilatation et faible conductivité thermique
 Déformations des pièces après soudage limitées
Critères de choix des procédés :
-
Taille forme des pièces à souder
Défauts associés (porosité, contamination) et effets sur les
propriétés
Criticité des pièces
Coût du process TIG < Plasma < Laser < FE < FI
53
4. Assemblage
Assemblage par fusion :
soudage à l’arc TIG
soudage plasma
soudage par faisceau laser CO2
soudage par faisceau d’électron (FE)
Assemblage par friction :
friction inertielle
friction pilotée
malaxage (steer welding)
Les alliages de titane présentent une grande affinité pour
l’oxygène qui fragilise les structures soudées. Protection.
54
4. Assemblage Soudage - Diffusion
Bonne aptitude de ces alliages au
soudage diffusion
 Combinaison de déformation
superplastique et de soudage
diffusion
55
Conclusions
Large domaine d’application du titane CP
Pour les alliages quasi a, a+b et b métastable
applications nécessitent une bonne connaissance
des relations traitements microstructures
propriétés
Recherche des traitements pour une optimisation
des propriétés et une limitation de la dispersion
des propriétés
56
Exemple d’applications
Titane commercialement pur (Ti CP)
35% d’utilisation des alliages de titane
%Ti
Grade
Ti40
%C
%Fe
%N
%O
max
%H
Applications
< 0,10
0.,2
<
0,03
0,25
0,015
Excellente résistance à la corrosion, excellente
soudabilité.
99,5
1
0,08
0,20
0,03
0,18
0,015
Structures aéronautiques, industries chimiques,
tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau
de mer, marine, échangeurs plats
99,2
2
0,08
0,25
0,03
0,20
0,015
Éléments de structures aéronautique, moteurs
avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs
de
chaleurs,
tubes
pour
condenseur,
évaporateur.
99,1
3
0,08
0,25
0,05
0,30
0,015
Domaine
industrie
chimique,
structure
aéronautique, résistance à la corrosion
99,0
4
Ti60
0,08
0,25
0,05
0,40
0,015
Domaine
chimique,
marine,
structure
aéronautique,
moteurs
d’avions,
implants
chirurgicaux,
aubes à grande vitesse,
compresseurs
Timet data sheets http://www.timet.com57
Exemple d’applications
Ex d’alliages briches et bmétastables
b-Cez
Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe
Tb 890°C
Ti 17
Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr
Tb 880°C
Alliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à l’oxydation
10-2-3 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al
Tb 800°C
Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si
Tb 800°C
Bon compromis entre propriétés mécaniques de traction, ténacité et fatigue.
forgeable et trempant. Utilisé pour différentes applications de structure aéronautique comme les trains
d’atterrissage de gros porteurs.
Alliage b résistant à l’oxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères
de moteurs, structures …
…..
58
59
Ti, 5%Al, 2,5% Sn : TA5E (Température de transus Tb  1030°C)
Bonnes propriétés mécaniques
Re0,2 806 MPa,
Rm
861 MPa
A
16%
Bonne tenue oxydation
Soudable
Existe sous forme de produits plats : éléments de structure
aéronautique
Pour faire des pièces forgées : disques de compresseur (moteur)
aubes de turbines à vapeur, moteur aérospatial (nuance ELI)
60
Trois alliages pour pièces moteurs
disques moteurs, compresseurs, aubes, éléments de structure (températures élevées) ...
Ti, 5%Al, 4% Sn, 4% Zr, 0,5% Mo, 0,7% Nb, 0,35% Si : Ti 834 Tb  1045°C
•
Propriétés en traction élevée, bonne tenue en fluage jusque 600°C,
bonne tenue en fatigue.
•
Ces bonnes propriétés sont dues à un durcissement par solution solide,
traitement thermique dans le domaine a+b.
•
Forgeable et soudable.
Ti, 6%Al, 0,5% Mo, 5% Zr, 0 ,2%Si : Ti 685
• Excellentes propriétés de traction et de fluage haute température
(520°C)
• Soudable
Ti, 6% Al, 2% Mo, 4% Zr, 2% Sn, 0,1%Si : Ti 6242S
Tb  995°C + 15
•
Excellente combinaison de propriétés en traction, en fluage et en
ténacité
•
Stabilité à haute température pour des applications de tenue longue en
température.
61
Les alliages briches et bmétastables
Types d’alliages ex.
b-Cez
Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe
Tb 890°C
Ti 17
Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr
Tb 880°C
Alliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à l’oxydation
10-2-3 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al
Tb 800°C
Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si
Tb 800°C
Bon compromis entre propriétés mécaniques de traction, ténacité et fatigue.
forgeable et trempant. Utilisé pour différentes applications de structure aéronautique comme les trains
d’atterrissage de gros porteurs.
Alliage b résistant à l’oxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères
de moteurs, structures …
…..
Tb bien plus faible que les alliages a quasi a et a+b
62
Autres
Alliages déformables à froid : produits plats
Ti-15-3-3
plaques, bandes et feuilles
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al épaisseur de 0.4mm à 2.4mm.
Beta C
plaque, bande, feuille, pour ressorts, barres de torsion,
Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo
Beta 21-S
alliage optimisé pour la résistance à l’oxydation et au
fluage. Utilisé en produit plat pour tuyères moteurs
Alliages émergents
Ti 6.22.22 : Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Cr-0.25Si Alliage pour structure cellules
SP 700 Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe vient en compétition avec Ti-6-4 (SPF … )
TIMETAL®LCB Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al alliage faible coût application ressort
Alliages application médicale…
Ti-13Nb-13Zr forgé
Ti-12Mo-6Zr-2Fe forgé
63
4. Assemblage
Procédés de
soudage par
fusion
TIG
PLASMA
LASER CO2
FE
Puissance
spécifique
<1 GW/m2
> 1 GW/m2
> 10 à 100
GW/m2
> 10 à 1000
GW/m2
Electrode
Non fusible (W)
Atmosphère
Inerte (Ar)
Inerte (Ar)
Mélange Gazeux
(CO2-He-N2)
Vide (10-2 Pa)
Soudure
Avec ou sans
métal d’apport
Avec ou sans
métal d’apport
Avec ou sans
métal d’apport
Sans métal
d’apport
Caractéristique
de la soudure
large
Moins large que
TIG
ZF fines
ZAT étroites
ZF fines
ZAT étroites
Epaisseur de
soudage
< 3mm
<8mm
Importante
Importante
<50 mm
Retrait
Important (0.5 à
0.8 mm)
Inférieur au TIG
0.3 à 0.4 mm
Faible idem
Faible
Non fusible (W)
B. Barbier Snecma Cours CACEMI Alliages de titane
64
65
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Absorption d’hydrogène
Réduction de l’eau conduit à l’absorption d’hydrogène
Précipitations d’hydrures fragilisants
Plus il y a de phase b plus il y
a absorption d’hydrogène
Y. Combres Technique de l’ingénieur
Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al
66
Influence des éléments d’alliages
Éléments en insertion
H, b gène
Pas d’influence sur les propriétés
Formation d’hydrures baisse de ductilité
Présence de la phase b piège l’H et empêche la formation
d’ hydrures
T40 alpha solubilité limite 19ppm
TA6V4 alpha bêta 800 à 1000 ppm
O, N et C a gènes
Durcissent la phase a
Diminue la ductilité
67
Influence des éléments d’alliages
Eléments en substitution
Al, a gène
Durcit la phase a Module d’Young augmente
Amélioration de la résistance et diminution de la ductilité c/a augmente, la
plasticité diminue
Amélioration de la tenue en fluage
Al<7% pour limiter la formation de Ti3Al fragilisante
Réduit la fragilisation à l’hydrogène
Sn, neutre
Durcit alpha, améliore le fluage et le compromis résistance ductilité aux
températures cryogéniques
Zr, neutre
Durcit alpha et bêta, améliore le compromis résistance ductilité de tout
alliage alpha bêta
68
Influence des éléments d’alliages
Eléments en substitution
Mo, b gène
Améliore la résistance, la ductilité et le fluage moyenne température.
Augmente la tenue à l’oxydation. Empêche la précipitation grossière de Ti3Al
retarde la précipitation fine de Ti3Al
V, b gène
Améliore la ductilité mais baisse la tenue à l’oxydation.
Cr, b gène
Améliore la résistance, mais baisse la ductilité (limitation à 4% pour les
alliages alpha bêta)
Fe, b gène
Améliore le compromis résistance/ductilité/fluage moyenne température.
Baisse fortement Tb et permet de travailler plus bas en température.
Si, b gène
Améliore la tenue au fluage par précipitation de siliciures. On se limite à
1% pour éviter les trop fortes chutes de ductilité.
69
Les alliages briches et bmétastables
TTT Diagram Ti17 ( 30 min at 920°C ; Tb 880°C)
time (s)
J. Da Costa Teixeira, L. Héricher, B. Appolaire, E. Aeby-Gautier, G. Cailletaud,
70
S. Denis, N.Späth, J Phys. IV France, 2004, 120 pp 93-101.
Les alliages briches et b métastables
71
0,25mm
Les alliages briches et bmétastables
Taux de phase
α d’équilibre
Exemple de gamme de traitements de
l’alliage Ti 17
T
T
FORGEAGE
MISE EN SOLUTION
REVENU
Tβ
%α
0%
temps
67%
0 ,2 5 m m
72
Evolution de la dureté en fonction du temps de
vieillissement
Y. Combres Technique de l’ingénieur
73
Exemples de séquences de traitements thermomécaniques
proposées pour le Ti 17
74
Progrès réalisés dans l'amélioration du procédé KROLL, dans les
procédés de refusion d'éponges et de chutes
Gamme très complète de titanes "commercialement pur" et
d'alliages, répondant à des spécifications technico économiques
variées.
Les technologies d'usinage, de déformation (à chaud/à froid) et
d'assemblage (soudage, brasage, collage) ont également beaucoup
progressé.
Sectoriellement les utilisateurs du titane (selon une étude récente
réalisée pour le compte du Ministère des Finances et de
l'Industrie, sur le marché mondial) sont les suivantes
75
76
77
2.3 Microstructures des alliages de titane
Transformations structurales
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages b métastable :
Phase a et Phase b
Phase b métastable (bm) : phase b retenue à l’ambiante mais avec sa composition chimique haute
température ; est susceptible de se transformer par traitement thermique ultérieur (en phase a à
haute température et w à basse température).
Phase b stable (b s) : phase b retenue à l’ambiante stabilisée et impossible à transformer par
traitement thermique.
Phase a prime (a’) : phase hexagonale comme α, mais ayant la même composition chimique que le b
d’origine ; obtenue par trempe rapide de la phase b.
Phase a seconde (a’’) : phase orthorhombique, précipitant par TT ou sous contrainte dans bm
Phase oméga (w) : phase précipitant soit lors du refroidissement rapide de βm (w athermique), soit au
cours d’un traitement thermique (w isotherme).
78
2.3 Microstructures des alliages de titane
Transformation structurales
On pourra aussi distinguer
Phase b transformée (bt) : décomposition de b par refroidissement
lent en structure lamellaire a + b.
Phase a primaire (aI) : phase a présente à l’équilibre à haute
température pendant le traitement thermique ou thermomécanique.
Phase a secondaire (aII) : phase a résultant de la transformation de
bm ou bt au cours de traitements thermiques.
79
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
Propriétés à température ambiante
80
Comparaison des différents alliages de Titane
LES ALLIAGES DE TITANE - LES DOMAINES
Niveau de cha rgem ent
DMF (DGPL-DGPP - DP ES)
DMA - SNECM A SERVICES
TUR BOMECA
MESSIER DOWTY
HISPANO SUIZA
TEC HS PAC E AERO
MESSIER BUGATTI
DASSAULT
EADS
TA6V ELI
cryo.
IMI834
TA5E ELI
cryo
10.2.3 VT22.1
6.2.4.2.b
Ti17
TA6V
100
200
6.2.4.6. TA8DV
BT 25Y et
IMI 685
6.2.4.2.a + b
300
0
400
100
500
200
600
300
700
400
800
Températur e
(K)
900
500
600
R éférence
JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes
(°C)
19/ 03/ 2001
5
81
2.3 Microstructures des alliages de titane
à température ambiante alliages constitués de phase a + b
a
a
Ti 64 (a+b)
Ti 64 (a+b)
MO
Ti17 (b métastable)
MEB
Ti17 (b métastable)
82
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
35% d’utilisation des alliages de titane
%Ti
Grade
Ti40
%C
%Fe
%N
%O
max
%H
Applications
< 0,10
0.,2
<
0,03
0,25
0,015
Excellente résistance à la corrosion, excellente
soudabilité.
99,5
1
0,08
0,20
0,03
0,18
0,015
Structures aéronautiques, industries chimiques,
tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau
de mer, marine, échangeurs plats
99,2
2
0,08
0,25
0,03
0,20
0,015
Éléments de structures aéronautique, moteurs
avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs
de
chaleurs,
tubes
pour
condenseur,
évaporateur.
99,1
3
0,08
0,25
0,05
0,30
0,015
Domaine
industrie
chimique,
structure
aéronautique, résistance à la corrosion
99,0
4
Ti60
0,08
0,25
0,05
0,40
0,015
Domaine
chimique,
marine,
structure
aéronautique,
moteurs
d’avions,
implants
chirurgicaux,
aubes à grande vitesse,
compresseurs
Pour améliorer la résistance à la corrosion ajout de Pd
Timet data sheets http://www.timet.com
83
1. Généralités – Élaboration secondaire
Techniques conventionnelles
Préparation de l’électrode
Préparation de lots à partir des matières premières (éponges,
éléments d’alliage, chutes, copeaux …)
Compactage
Empilements des compacts, et solidarisation par soudage plasma ou
faisceau d’e- sous vide
Cycle de préparation des
matières
destinées à être refondues
Yves Combres Techniques de l’Ingénieur
84
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Absorption d’hydrogène
Réduction de l’eau conduit à l’absorption d’hydrogène
Précipitations d’hydrures fragilisants
Plus il y a de phase b plus il y
a absorption d’hydrogène
Y. Combres Technique de l’ingénieur
Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al
85
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Les alliages de Titane