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Les alliages de titane Elisabeth Aeby-Gautier

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1 Les alliages de titane Elisabeth Aeby-Gautier
LSG2M CNRS UMR Ecole des Mines de Nancy

2 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)

3 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).

4 Demande mondiale (1000 tonnes)
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 400 Aluminium 20.000 1.500 Aciers Inox 13.000 2.000 Titane 50 à (prix à la tonne plutôt qu'en prix au m3 et en tonnage plutôt qu'en volume) Association titane 58 à 64 à 150€ kg billette

5 AERONAUTIQUE MILITAIRE 8000 – 10000 2003 9000 – 12000 2005
MARCHE APPLICATIF CONSOMMATION Tonnes (mondiale) AERONAUTIQUE CIVILE AERONAUTIQUE MILITAIRE 8000 – 9000 – ENERGIE/CHIMIE 22000 – SPORT & LOISIRS 3000 t BATIMENT 500 t MEDICAL 800 t AUTRES (dont lunetterie) 1000 t TOTAL 58000 –

6 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

7 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) 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 France) Yves Combres Techniques de l’Ingénieur

8 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 …)).

9 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 Température d’ébullition 3287 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

10 2.1 Le titane pur Caractéristiques mécaniques du matériau polycristallin Module d’élasticité : MPa Limite d’élasticité : 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

11 2.1 Le titane pur Transformation allotropique du 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 = <1.633)

12 Relations d’orientations de Burgers
Le passage de phase β a se fait selon le mécanisme proposé par Burgers T<Tb 882°C T>Tb [1 1 1]b // ( )a (1 1 2)b // ( )a (1 1 0)b // ( )a Relations d’orientations de Burgers

13 Microstructure formée au refroidissement :
morphologie lamellaire 12 variants dans un même grain b Texture de transformation

14 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. 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). O, N, B, C H

15 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 possédant des proportions très variables de phase a et b ; alliages b contenant 100 % de phase b. La classe des alliages a + b est extrêmement vaste  sous-classes

16 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 (Ti3Al10V2Fe)

17 Timet

18 Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane

19 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

20 Principales propriétés des familles d’alliage
Y. Combres Techniques de l’ingénieur

21 Propriétés des alliages = f (microstructure)
Principales propriétés des familles d’alliage Type d’alliage Avantages Inconvénients a quasi a (hors TNA) 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 bmétastable 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 Propriétés des alliages = f (microstructure) bCez : 970 ou 1700MPa Re0.2

22 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 Mo, V, Nb, Ta, Fe, Cr, Ni, Cu, W, Co % éléments b gènes % éléments a gènes O2, N2, B, C, Al

23 2.2 Les alliages de titane – diagramme d’équilibre
Equilibre thermodynamique : fraction de phase en présence Évolution du taux de phase  en fonction de la température (~équilibre)

24 2.2 Les alliages de titane Equilibre thermodynamique: composition chimique Répartition des éléments d’alliage en fonction de la température Alliage TA6V4

25 2.3 Microstructures des alliages de titane
à température ambiante alliages constitués de phase a + b Ti 6242 (a+b) Morphologie a globulaire obtenue par TTM dans le domaine biphasé a+b et TT ultérieurs a MO Ti 6242 (a+b) Morphologie a lamellaire obtenue pat TTM dans le domaine b et TT ultérieurs Complexité des microstructures : fonction des TTM Propriétés : f(microstructures)

26 2.3 Microstructures des alliages de titane
Microstructures types Exemples de morphologies de TA6V

27 Coexistence de plusieurs échelles de morphologies dans le cas de l’alliage TD5AC (Ti 4.5%Al 5% Mo 1.5%Cr) Y. Combres

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 (Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)

30 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 ….)

31 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 -CEZ, après 30 minutes de mise en solution à 920°C (S. Bein Thèse CNAM 1996)

32 Morphologie globulaire + lamellaire (Ti17)
2.3 Microstructures pour les alliages de titane Types de traitements Ti17 Morphologie globulaire + lamellaire (Ti17) Ti 6242 temps température b a+b Contrôle de a primaire Contrôle de a secondaire Ti 6242 temps température b a+b

33 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)

34 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.

35 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.

36 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

37 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

38 3.1 Propriétés L’alliage TA6V4 Conditions de TT Rm (MPa) Rp 0.2 (MPa)
Z (%) Forgé a+b Etat recristallisé 880 710 13 36 Etat recuit 897 828 10 25 + 4H 594°C 938 876 15.2 34 + 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

39 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 a+b : TA6V4 1000 910 18 a+b : IMI 550 1138 1035 12 b-Cez 1250 1150 11 115 b-Cez max 1700 1650 7 b-Cez 100% b 927 723 9 70

40 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 T 40 60-70 IMI 685 TA6V4équiaxe 40-60 10 15-20 TA6V4 lamellaire 70-90 >20 b-Cez équiaxe 35-50 5 b-Cez lamellaire b-Cez lamellaire tsc 70-100 Y. Combres Technique de l’ingénieur

41 3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
Propriétés à température ambiante

42 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

43 Fluage Résistance spécifique des alliages de titane Fluage 0,2% 300h
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

44 Comportement aux températures cryogéniques
Influence de la température sur Re0.2 et Rm Y. Combres technique de l’ingénieur

45 JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes

46 JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes

47 3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, 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.

48 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 Taux de corrosion TI 40 Inox 18-8 116°C 0,03 – 0,17 mm/an 0,8 – 13,2 mm/an

49 Pour une meilleure tenue à la corrosion, ajout de Pd
Y. Combres Technique de l’ingénieur

50 3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
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

51 Résistance à la fatigue
3.3 Propriétés induites par la surface (biocompabilité) Bonnes propriétés de biocompatibilité Bio matériaux Résistance à la fatigue (MPa) E (GPa) Rf / E * 10-3 OS - 20 FeCrNiMo (316L) 250 210 1.2 Co-29Cr-5Mo coulé 300 200 1.5 CoNiCr forgé 500 220 2.3 Ti a+b 550 105 5.2 Ti cp 100 1.8 Ta cp 1.3 Al2O3 0/4002 380 0/1.05 ZRO2 0/4502 170 0/2.6 PMMA 30 25 UHMWPE 16 13.3 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 Bonne résistance à la fatigue Thèse G. Teixier 2005 Insa Rennes Cp commercialement pur 1 en flexion 2 en compression

52 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 Soudage diffusion Superplasticité combinée au soudage diffusion réservoir d’avion

53  Déformations des pièces après soudage limitées
4. Assemblage Alliages de titane présentent une bonne soudabilité : Bonne ductilité ne nécessitant pas la réduction des contraintes internes par préchauffage de la pièce  Absence de fissures au cordon de soudure 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

54 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.

55 4. Assemblage Soudage - Diffusion
Bonne aptitude de ces alliages au soudage diffusion  Combinaison de déformation superplastique et de soudage diffusion

56 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

57 Excellente résistance à la corrosion, excellente soudabilité.
Exemple d’applications Titane commercialement pur (Ti CP) 35% d’utilisation des alliages de titane %Ti Grade %C %Fe %N %O max %H Applications Ti40 < 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 Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau de mer, marine, échangeurs plats 99,2 2 Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur. 99,1 3 0,05 0,30 Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion 99,0 4 Ti60 0,40 Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs d’avions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs Timet data sheets

58 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 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al 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. Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si Tb 800°C Alliage b résistant à l’oxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères de moteurs, structures … …..

59

60 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)

61 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.

62 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 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al 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. Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si Tb 800°C 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

63 Alliages déformables à froid : produits plats
Autres Alliages déformables à froid : produits plats Ti 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 : 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

64 Procédés de soudage par fusion
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) Mélange Gazeux (CO2-He-N2) Vide (10-2 Pa) Soudure Avec ou sans métal d’apport Sans métal d’apport Caractéristique de la soudure large Moins large que TIG ZF fines ZAT étroites Epaisseur de soudage < 3mm <8mm Importante <50 mm Retrait Important (0.5 à 0.8 mm) Inférieur au TIG 0.3 à 0.4 mm Faible idem Faible B. Barbier Snecma Cours CACEMI Alliages de titane

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66 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

67 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

68 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

69 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.

70 TTT Diagram Ti17 ( 30 min at 920°C ; Tb 880°C)
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, S. Denis, N.Späth, J Phys. IV France, 2004, 120 pp

71 Les alliages briches et b métastables
0,25mm

72 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 temps 0% 67%

73 Evolution de la dureté en fonction du temps de vieillissement
Y. Combres Technique de l’ingénieur

74 Exemples de séquences de traitements thermomécaniques proposées pour le Ti 17

75 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

76

77

78 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).

79 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.

80 3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
Propriétés à température ambiante

81 Comparaison des différents alliages de Titane
DASSAULT EADS JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes

82 2.3 Microstructures des alliages de titane
à température ambiante alliages constitués de phase a + b Ti 64 (a+b) Ti17 (b métastable) a a MO MEB Ti17 (b métastable) Ti 64 (a+b)

83 Excellente résistance à la corrosion, excellente soudabilité.
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion) 35% d’utilisation des alliages de titane %Ti Grade %C %Fe %N %O max %H Applications Ti40 < 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 Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau de mer, marine, échangeurs plats 99,2 2 Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur. 99,1 3 0,05 0,30 Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion 99,0 4 Ti60 0,40 Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs d’avions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs Timet data sheets Pour améliorer la résistance à la corrosion ajout de Pd

84 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

85 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


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