Tout sur le métal titane

Le titane est considéré comme un métal inestimable dans l'ingénierie et la technologie contemporaines.. Compte tenu de ses caractéristiques particulières, comme sa capacité à fournir une haute résistance, faible densité, et une excellente résistance à la corrosion, c'est un matériau vital pour diverses industries. Tout, des ailes d'avion aux arthroplasties de la hanche, le titane est utilisé dans différentes parties de nombreuses choses qui composent notre vie quotidienne. Les utilisations du titane vont de la longévité des avions aux avions, à l'amélioration des performances des équipements sportifs ou au renforcement des équipements médicaux de survie. Dans cet article, nous comprendrons pourquoi le titane est devenu si crucial. Examiner ses caractéristiques, utilise, méthodes de production, et les qualités les plus utilisées actuellement sur le marché.

Qu'est-ce que le titane?

Feuilles de métal en titane

Titane(un alliage non magnétique) est très rigide, en apesanteur, et ne se corrode pas facilement. Cependant, c'est comparativement plus cher que aluminium, et acier. Dans le tableau périodique, le titane appartient au groupe 4 et période 5 d'éléments ayant un numéro atomique de 22 et le symbole « Ti ». Le métal titane a une surface brillante qui peut être de couleur grise ou blanche.. Le titane peut être coloré en différentes nuances par un processus appelé anodisation. Le principe fondamental se fait en faisant varier la tension.

De plus, il est important de savoir que le titane est le neuvième métal le plus abondant sur Terre. Il est soluble dans les roches, minéraux, argile, et du sable. Mais, il n'existe pas dans son état d'origine dans la nature. Plutôt, le titane se combine à l'oxygène pour protéger les composants en fournissant une couche de protection en dioxyde de titane (TiO₂).

Principalement, le titane se trouve souvent sous ses formes minérales. Donc, le titane pur peut être extrait de deux minéraux: rutile, qui est sombre et cristallin, et ilménite, qui est de couleur gris-noir. En outre, il y a plus de minéraux pour produire du titane, dont l'anatase, pérovskite, brookite, et titanite.

Comme mentionné précédemment, le titane est plus cher/plus cher que l'acier ou l'aluminium, et malgré ça, il trouve généralement son utilisation intensive dans plusieurs applications. Le titane commercialement pur est disponible pour environ $18 et $20 par kilogramme. Normalement, les alliages de titane coûtent plus cher. Ces coûts peuvent varier de 70 à 80 Masse en dollars américains/kg.

Propriétés clés du titane

Les propriétés du titane sont divisées en produits chimiques, physique, et catégories mécaniques, mettant en valeur ses caractéristiques uniques pour diverses applications.

Tableau: Physique, Chimique & propriétés mécaniques du titane.

Propriétés physiques	Propriétés chimiques	Propriétés mécaniques
Densité: 4.54 g/cm³	Teneur en carbone: ≤ 0.08%	Résistance à la traction: 200-1,400 MPa
Point de fusion: 1,668°C	Teneur en fer: ≤ 0.5%	Limite d'élasticité: 200-1,200 MPa
Conductivité électrique: 2.38 x 10 ^ 6 S/m	Teneur en oxygène: ≤ 0.25%	Dureté (Brinell): 150-400 HB
Conductivité thermique: 21.9 W/m·K	Teneur en azote: ≤ 0.03%	Élongation (Ductilité): 10-30%
Propriétés magnétiques: Non magnétique	Teneur en hydrogène: ≤ 0.015%	Module d'élasticité: 105-120 GPa

Comment est fabriqué le titane?

La production de titane comporte plusieurs étapes clés: Décrivons ci-dessous le processus de production de titane de la manière suivante:

• Extraction du minerai de titane: Parmi tous les minerais de titane, les deux types les plus couramment utilisés sont l'ilménite. (FeTiO₃) et rutile (TiO₂). Les minerais suivants sont extraits et traités en vue d'obtenir du dioxyde de titane.
• Conversion en tétrachlorure de titane (TiCl₄): Les principales étapes de la fabrication des composés du titane impliquent la chloration du dioxyde de titane.. Plus loin, il est transformé en tétrachlorure de titane. Le processus respectif implique l'utilisation de dioxyde de titane et de chlore gazeux et les deux sont traités thermiquement..
• Réduction en titane métal: Le tétrachlorure de titane est ensuite réduit en titane métallique à l'aide du Kroll, et les processus Hunter. Dans ces processus, le tétrachlorure de titane est amené à réagir avec le magnésium à haute température pour produire du titane et du chlorure de magnésium (MgCl).
• Purification et alliage: Souviens-toi, que le matériau titane métal est pur et doit être allié à d'autres composants pour obtenir les caractéristiques souhaitées. Certains des constituants les plus utilisés dans les alliages sont l'aluminium., vanadium, et molybdène.
• Transformation et fabrication: Ces formulaires comprennent des formulaires en feuilles, formes de tige, et des formes de tube entre autres formes en fonction des besoins des utilisateurs. Plus loin, il passe par divers processus pour produire des produits finis en utilisant le tournage, soudage, et casting entre autres.

Nuances de titane couramment utilisées pour la fabrication de pièces

Le titane est disponible en différentes qualités en fonction de l'application prévue et des spécifications du matériau.. Ces qualités sont normalement classées en fonction de la composition chimique et des caractéristiques mécaniques. Les qualités courantes de titane sont les suivantes:

1. Grade 1

Description: Communément appelé titane commercial, il a la ductilité la plus élevée et la résistance la plus faible de toutes les qualités de titane.

Composition chimique: 99.5% titane.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction:240MPa ou 35 ksi
• Limite d'élasticité: 170 MPa (25 ksi)
• Élongation:24%

2. Grade 2

Description: Cette nuance se caractérise par une bonne résistance et une bonne ductilité.

Composition chimique: Environ 98.9 pourcentage de composé de titane, et le reste c'est du fer et de l'oxygène.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction:350 MPa (50 ksi).
• Limite d'élasticité: La résistance à la traction va jusqu'à 275 MPa (40 ksi).
• Élongation: 20%

3. Grade 3

Description: La note prévue est plus forte que les notes 1 et 2 mais a une ductilité inférieure à celle des deux qualités.

Composition chimique: Autour 97.5% titane avec du fer et de l'oxygène comme principaux éléments d'alliage.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction: La limite d'élasticité du matériau est 450 MPa (65 ksi).
• Limite d'élasticité: Typiquement, la densité du matériau est 380 MPa (55 ksi).
• Élongation: 15%

4. Grade 4

Description: Grade 4, a une résistance élevée et une ductilité relativement modérée, Normalement, appliqué là où une résistance élevée est souhaitée.

Composition chimique: Il a environ 90% titane et traces d'éléments tels que le fer, oxygène, et d'autres.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction: 550 MPa (80 ksi).
• Limite d'élasticité:480 MPa (70 ksi)
• Élongation: 10%

5. Grade 5 (Ti-6Al-4V)

Description: Le plus populaire de tous les alliages de titane en raison de sa haute résistance et de sa bonne soudabilité. Grade 5 contient de l'aluminium et du vanadium comme constituants d'alliage. Relativement, utilisé dans les applications d'impression 3D pour la fabrication de prototypes.

Composition chimique: Il contient 90% de titane, 6% en aluminium, et 4% de vanadium.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction: 900 MPa (130 ksi).
• Limite d'élasticité: 830 MPa (120 ksi)
• Élongation: 14%

6. Grade 7

Description: Grade 7 a des caractéristiques de corrosion améliorées qui ont été rendues possibles par l'incorporation de palladium. Il se situe généralement parmi BÊTA notes.

Composition chimique: À propos 90 pourcentage de titane avec une petite quantité de palladium.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction: La limite d'élasticité du matériau est 370 MPa ou 54 ksi.
• Limite d'élasticité: Typiquement, 275 MPa (40 ksi).
• Élongation: 20%

7. Grade 9 (Ti-3Al-2. 5V)

Description: Une qualité légère qui présente une résistance supérieure et de meilleures propriétés de fatigue, utilisé dans les équipements aérospatiaux et sportifs.

Composition chimique: 90% Titane, 3% Aluminium, 2.5% vanadium.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction:620 MPa ou 90 ksi
• Limite d'élasticité: Les propriétés matérielles de l’acier utilisé dans la construction de la plateforme offshore sont 480 MPa (70 ksi) résistance à la traction.
• Élongation:15%

8. Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI)

Description: Il s'agit d'une variante à faible interstitiel de Grade 5, ce qui améliore généralement la ténacité à la rupture. Couramment utilisé dans les implants médicaux.

Composition chimique: 90% titane, 6% aluminium, 4% vanadium avec moins de teneur en oxygène.

Propriétés mécaniques:

• Résistance à la traction:860 MPa (125 ksi)
• Limite d'élasticité:795 MPa (115 ksi).
• Élongation:14%

Les différentes qualités de titane ont des caractéristiques uniques qui le rendent approprié dans de nombreuses utilisations dans des domaines tels que l'aérospatiale., médical, et utilisations industrielles.

Opérations d'usinage du titane

Usinage du titane

Le titane est un peu difficile à travailler. Parce qu'il est très rigide et solide. Donc, les propriétés des matériaux nécessitent la mise en œuvre de processus spécifiques. Certaines des opérations courantes utilisées dans l'usinage sont Tournage CNC, fraisage, forage, et tapotement. Les alliages de titane sont normalement usinés à basse vitesse pour minimiser la chaleur et l'usure de la fraise.. Des outils de coupe en carbure sont utilisés car ils protègent mieux le titane contre l'usure.. Dans un travail de haute précision, les tolérances pourraient être aussi serrées que ±0,005″. De plus, Certaines autres techniques peuvent également être mises en œuvre, notamment Usinage par décharge électrique (GED), et découpe laser des géométries et des zones difficiles à usiner par des moyens conventionnels.

Applications industrielles du titane

Voyons les applications courantes du titane dans plusieurs secteurs:

Industrie aérospaciale

Les secteurs aérospatiaux sont de plus gros consommateurs de titane. Le titane et ses alliages sont généralement utilisés pour les pièces d'avions, y compris les pièces de moteurs à réaction., trains d'atterrissage, structures de cellule, et systèmes d'échappement. Ces matériaux sont particulièrement bien adaptés à ces zones à fortes contraintes en raison de leur rapport résistance/poids élevé et de leurs capacités de résistance à la corrosion..

Industrie médicale

Dans l'industrie médicale, le titane est utilisé dans la fabrication d'appareils chirurgicaux, et dentaire, et matériel prothétique. Cela le rend compatible avec les tissus humains, de sorte qu'une fois implanté, il ne provoque aucune réaction indésirable..

Industrie automobile

L'industrie automobile est l'un des plus gros consommateurs de titane. Titanium aide à fabriquer des produits comme des voitures de course et des voitures de luxe haut de gamme. Ils sont utilisés dans la fabrication de systèmes d'échappement, pièces de vannes, et systèmes de suspension qui facilitent la légèreté et la haute résistance des véhicules.

Industrie de transformation chimique

Comme discuté plus tôt, le matériau en titane n'est pas facilement corrodé par l'environnement. Donc, il peut être utilisé dans la fabrication de vannes de pompe, échangeurs de chaleur, et systèmes de tuyauterie pour usines chimiques. Plus loin, cela a ajouté l'avantage de pouvoir gérer des produits chimiques très agressifs et donc, augmente la durée de vie de l'équipement.

Industrie maritime

Le titane présente des caractéristiques élevées de résistance à la corrosion. Donc, Il est largement utilisé dans la fabrication de composants et d’accessoires de navires tels que les arbres d’hélice., aménagements de coque, et systèmes d'eau de mer, et offre une durabilité élevée et un faible entretien dans les environnements maritimes.

Conclusion

Pour conclure, en raison des propriétés distinctes du matériau titane, il est possible de l'usiner selon la tolérance requise. Ses diverses qualités peuvent être appliquées dans l'aérospatiale, médical, et domaines industriels. Cependant, le titane a une mauvaise usinabilité, il peut être usiné avec une grande précision si les outils et techniques appropriés sont utilisés pendant le processus. Cela rend le titane précieux dans toutes les applications où la résistance et la précision sont essentielles..

FAQ

T1. Quelles sont les principales catégories d’alliages de titane?

Les alliages de titane sont classés en trois types principaux: qui incluent des alliages alpha, alliages bêta, et alliages alpha-bêta. Les alliages alpha sont ceux qui possèdent une résistance élevée et un degré de ductilité acceptable.. Les alliages bêta offrent des propriétés mécaniques améliorées, force avancée, et usinabilité améliorée. Les alliages alpha-bêta contiennent à la fois des phases alpha et bêta et les propriétés associées aux deux phases sont donc présentées.

T2. Comment le titane se comporte-t-il par rapport aux autres métaux en termes de corrosion ??

Le titane possède une couche d'oxyde naturelle qui le rend résistant à la rouille et à la corrosion.; donc, il peut être utilisé dans l'eau de mer, acide, et autres environnements corrosifs.

T3. Pourquoi le titane est-il utilisé dans les applications aérospatiales?

Le matériau en titane est extrêmement léger, pourtant très fort, ce qui le rend idéal pour les utilisations aérospatiales. Il offre une grande résistance, mais il s'agit de 50% plus léger que l'acier. Donc, il améliore considérablement le rendement énergétique et les performances des composants des avions et des engins spatiaux.

T4. Qu'est-ce qui rend le titane biocompatible?

Le titane ne provoque aucune réponse négative lorsqu’il est utilisé dans le corps humain. Après tout, il peut facilement se lier aux tissus humains. Grâce à sa surface non adhérente et chimiquement inactive, il ne provoque pas d'inflammation lorsqu'il est utilisé dans les implants chirurgicaux et les membres artificiels.

Q5. Comment le titane est-il usiné et fabriqué?

Le titane comme beaucoup d'autres métaux. Il peut être usiné de manière traditionnelle. Mais c'est un métal très dur et résistant, nécessitant ainsi des outils et des méthodes d'usinage spécialisés. Il s'agit notamment de l'usinage à grande vitesse, rectification de précision ainsi que usinage par électroérosion (GED). D'autres processus impliqués dans la fabrication peuvent être le soudage, fonderie, forger, et autres selon les besoins.