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1 Les alliages de titane Elisabeth Aeby-Gautier LSG2M CNRS UMR 7584 - Ecole des Mines de Nancy.

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

2 2 Plan Introduction 1 Généralités 2 Le titane pur et les familles dalliages de titane les éléments dalliage les titanes CP (commercialement pur), les familles dalliage :,, métastable 3 Les propriétés des familles dalliages de titane propriétés mécaniques propriétés mécaniques spécifiques corrosion bio compatibilité (influence de la microstructure (famille de matériaux)) 4Mise en œuvre - Soudage (quelques points)

3 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 loxydation jusque 600°C).

4 4 MétalDemande mondiale (1000 tonnes) $/tonne Acier Aluminium Aciers Inox Titane à Généralités - Marché du titane Les minerais de titane sont abondants (9ième élément dans lécorce 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 (prix à la tonne plutôt qu'en prix au m3 et en tonnage plutôt qu'en volume) Association titane 58 à à kg billette

5 5 MARCHE APPLICATIF CONSOMMATION Tonnes (mondiale) AERONAUTIQUE CIVILE AERONAUTIQUE MILITAIRE 8000 – – ENERGIE/CHIMIE – SPORT & LOISIRS3000 t BATIMENT500 t MEDICAL800 t AUTRES (dont lunetterie)1000 t TOTAL –

6 6 Titane est obtenu à partir de deux minerais Rutile (forme naturelle du dioxyde de titane 97 à 98.5% TiO 2 ) Ilménite (mélange de titanate et doxydes de fer, teneur maximale en Ti 30%) Élaboration du titane et de ses alliages passe par deux étapes Métallurgie extractive Élaboration secondaire dun lingot Elaboration VAR (refusion de lélectrode sous vide) Refusion sur sole froide 1. Généralités - Élaboration

7 7 Refusion de lélectrode 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 lIngénieur Carte de répartition du molybdène dans un lingot de 3 t en diamètre 660 mm en alliage -CEZ, simulé par le logiciel SOLAR (doc. École des Mines de Nancy / CEZUS France)

8 8 Refusion sur sole froide (depuis fin des années 1980) Élaboration complexe. Travail important sur la qualité du métal liquide et lhomogénéité du lingot (ségrégation, fleck, particules (TiN …)).

9 9 2. Le titane pur et ses alliages Propriétés physiques du titane pur PropriétéValeurUnité Numéro atomique22- Masse atomique47,9g Masse volumique4,51g.cm -3 Température de transf. allotropique882°C Température de fusion1670°C Température débullition3287°C Capacité thermique massique522J. Kg. K -1 Conductivité thermique16,7W. m -1. K -1 Résistivité électrique à 20°C47, m Coefficient de dilatation linéaire à 20°C8, K -1 Susceptibilité magnétique3, cm 3. g -1 Module délasticité110000MPa Coefficient de Poisson0, Le titane pur

10 Le titane pur Module délasticité : MPa Limite délasticité : 350 MPa Contrainte de Rupture :450 MPa Allongement à rupture : 28% Caractéristiques mécaniques du matériau polycristallin 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 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 (rapport c/a = <1.633)

12 12 Le passage de phase β se fait selon le mécanisme proposé par Burgers Relations dorientations de Burgers [1 1 1] // ( ) (1 1 2) // ( ) (1 1 0) // ( ) 882°C TT

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

14 Les alliages de titane/les familles dalliages de Ti Les éléments daddition Les éléments daddition sont classés en trois groupes alphagènes, bêtagènes ou neutres. éléments alphagènes stabilisent la phase, augmentent la température T, étendent le domaine de phase éléments bêtagènes, les éléments isomorphes, miscibles en toutes proportions dans la phase : les éléments eutectoïdes, pouvant former des précipités éléments neutres, tels que le zirconium (Zr) et létain (Sn). O, N, B, C H

15 15 Les principales familles dalliages 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 létat dutilisation : alliages constitués de 100 % de phase ; ex Ti 40 Ti 0.2Fe TA5E (Ti5%Al 2,5%Sn) alliages possédant des proportions très variables de phase et ; alliages contenant 100 % de phase. La classe des alliages est extrêmement vaste sous-classes

16 16 Les principales familles dalliages La classe des alliages quasi ou super : alliages possédant de la phase à une teneur de quelques pour-cent (< 5 %) Ex Ti6242 (Ti6AL2Sn4Zn2Mo) ou IMI 685(TA6Zr5D Ti6Al5Zr0.5Mo0.2Si) : alliages dont la teneur en phase est comprise entre 5 et 20 % ; Ex TA6V4 (Ti6AL4V) Ti6246 (Ti6Al2Sn4Zr6Mo) riches : alliages susceptibles de retenir une phase métastable à la température ambiante par refroidissement très rapide ( ou m qui se transformera, par traitement thermique, en phases et avec des teneurs de phase à léquilibre voisines de 20 à 25 % ; Ex : Ti 17 (Ti5Al2Sn2Zr4Mo4Cr) et -Cez (Ti 5Al2Sn4Zr4Mo2Cr1Fe) métastables ( m) : alliages susceptibles de retenir de la phase métastable à lambiante par refroidissement moyennement rapide, cette dernière se transformant en phases et stable avec 25 à 35 % de phase. Ex : LCB Timet (Ti1.5Al6.8Mo4.5Fe) b 21S (Ti 0.2Al 15Mo2.8Nb) Ti (Ti3Al10V2Fe)

17 17 Timet

18 18 Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane

19 19 Les aluminures de titane Nouvelle famille (intermétalliques) qui suscitent un grand intérêt Ils sont basés sur les composés Ti 3 Al, TiAl Structures ordonnées bonne stabilité à haute température, mais fragile à température ambiante

20 20 Y. Combres Techniques de lingénieur Principales propriétés des familles dalliage

21 21 Principales propriétés des familles dalliage Type dalliage AvantagesInconvénients quasi (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 et considérablement plus faible que celle des alliages Transformation à chaud demandant plus de puissance mécanique Peu de réponses aux TT 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 loxydation Soudabilité fonction de la nuance et des procédés Ductilité des soudures inférieures à celles des alliages Trempabilité limitée Ductilité au pliage inférieure à celle des alliages riches Fin de laminage ou de forgeage dans le domaine riche métastable Excellente ductilité et résistance moyenne à létat trempé Possibilité dobtention de très hautes résistances, à lambiante, éventuellement après conformation à froid Trempabilité élevée Moins bonne tenue à loxydation et au fluage Faible stabilité à chaud sous contrainte Température maximale demploi 350 à 450°C suivant les alliages Propriétés des alliages = f (microstructure) Cez : 970 ou 1700MPa Re0.2

22 22 T (BCC) (HCP) métastable Ms 20°C O 2, N 2, B, C, Al Mo, V, Nb, Ta, Fe, Cr, Ni, Cu, W, Co % éléments gènes T Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane 2.2 Les alliages de titane – diagramme déquilibre

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

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

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

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

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

28 Microstructures des alliages de titane Transformations structurales (Y. Combres Techniques de lingénieur, F. Lemaitre ….) Ti64 : 6%Al 4%V Phases en présence au cours des traitements Cas des alliages :

29 Microstructures des alliages de titane Transformations structurales (Y. Combres Techniques de lingénieur, F. Lemaitre ….) Ti64 : 6%Al 4%V Phases en présence au cours des traitements Cas des alliages :

30 30 Phases en présence au cours des traitements Cas des alliages : 2.3 Microstructures des alliages de titane Transformations structurales (Y. Combres Techniques de lingénieur, F. Lemaitre ….) Ti64 : 6%Al 4%V Phase et phase : morphologie, taille fonction du traitement Phase : phase hexagonale comme, mais ayant la même composition chimique que le dorigine ; obtenue par trempe rapide de la phase.

31 31 Diagrammes TRC Diagramme TRC de lalliage -CEZ, après 30 minutes de mise en solution à 920°C (S. Bein Thèse CNAM 1996) Diagramme TRC de lalliage TA6V, après mise en solution à 1025°C IV Les alliages riches et métastables Alliages trempants : durcissement de lalliage par précipitation différents mécanismes de transformations de phases

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

33 33 3. Propriétés des alliages de titane 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 dempilement donc microfissuration interfaces 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, (coefficients de diffusion 1000 fois plus faible quen ) ; Vitesse de fluage sont inversement proportionnelle à la taille des grains) Généralités relations microstructure propriétés - Influence de la morphologie de la phase

34 34 3. Propriétés des alliages de titane Structures lamellaires mêmes tendances 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 linterface est très aisée dans le cas dune structure lamellaire Généralités relations microstructure propriétés - Influence de la morphologie de la phase mais

35 35 Il constitue une large part dutilisation 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, loxygène, et lazote qui sont des éléments interstitiels. Le titane est principalement allié à loxygène et au fer, afin daméliorer les caractéristiques mécaniques. Pour classer les alliages on détermine un % dOxygène équivalent qui permet de déterminer le grade et les propriétés de lalliage : %O équivalent = %O + 2%N+0,67%C Chaque 0,1% dOxygène équivalent (interstitiel) augmente la résistance denviron 120 MPa. Cette augmentation de résistance saccompagne dune diminution de ténacité. 3.1 Propriétés Titane commercialement pur (Ti CP)

36 36 Propriétés mécaniques MinimumGrade 1Grade 2 Ti 40 Grade 3 Grade 4 Charge à rupture - MPa Limite délasticité - MPa Allongement % Timet data sheets 3.1 Propriétés Titane commercialement pur (Ti CP)

37 37 Microstructure de grains équiaxe Déformable à froid Excellente soudabilité (notamment pour les faibles teneurs en O eq ) Non trempant 3.1 Propriétés Titane commercialement pur (Ti CP)

38 Propriétés Conditions de TTRm (MPa)Rp 0.2 (MPa) A (%)Z (%) Forgé Etat recristallisé Forgé Etat recuit Forgé C Forgé C Forgé R.Air + 705°C Forgé R. Eau + 705°C J.C. Williams and E.A. Starke in Deformation processing and structure G. Krauss ASM 1984 Lalliage TA6V4

39 39 Propriétés à température ambiante NuanceRm (MPa)Rp 0.2 (MPa) A (%)E (GPa) Ti : CP T Quasi : IMI : TA6V : IMI Cez Cez max Cez 100% Propriétés Comparaison de divers alliages

40 40 Propriétés à température ambiante Nuance Ténacité (K1C) MPa M Fatigue K seuil MPa m K à mm/cycle MPa m T IMI TA6V4équiaxe TA6V4 lamellaire >20 -Cez équiaxe Cez lamellaire Cez lamellaire tsc Résistance à la propagation de fissure Y. Combres Technique de lingénieur 3.2 Propriétés mécaniques spécifiques

41 41 Propriétés à température ambiante 3.2 Propriétés mécaniques spécifiques

42 42 Propriétés en fonction de la température (température élevée) 3.2 Propriétés mécaniques spécifiques Meilleure tenue des alliages et pseudo Comportement pour des temps courts Meilleurs compromis pour les alliages métastable traités thermiquement 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 Comportement en fluage

43 43 Résistance spécifique des alliages de titane Fluage 0,2% 300h Y. Honnorat et D. Girault Matériaux et Techniques 1988 p 89 M. Katcher Metals Engineering Quaterly ASM 1958 Fluage

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

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

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

47 47 Corrosion Risques de corrosion sous contrainte à froid dans leau de mer (en présence dentailles 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 sont sensibles à la corrosion sous contrainte ; les structures ont une bonne résistance ; les alliages ont une sensibilité croissante avec la teneur en aluminium contrecarrée par laddition déléments -gènes. 3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)

48 48 À leau de mer : À une solution bouillante à 90% dHNO3 Résistance à la corrosion (T40) Écoulement m/s Durée dexposition mois Taux de corrosion mm/an T40Cu/Ni 70/30 Al 9,812<0,00250,31,0 8,521, , ,215, ,12--- Température du métal Taux de corrosion TI 40Inox °C0,03 – 0,17 mm/an 0,8 – 13,2 mm/an 3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)

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

50 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion) Formation dun oxyde stable TiO 2 Couche adhérente stable, protectrice de quelques m Ceci jusquaux températures > 550 voire 600°C aux T >, diffusion de loxygène et lazote éléments qui modifient les microstructures et les propriétés Oxydation

51 51 Bonnes propriétés de biocompatibilité 3.3 Propriétés induites par la surface (biocompabilité) Bio matériaux Résistance à la fatigue (MPa) E (GPa) Rf / E * 10-3 OS-20 FeCrNiMo (316L) Co-29Cr- 5Mo coulé CoNiCr forgé Ti a+b Ti cp Ta cp Al2O30/ /1.05 ZRO20/ /2.6 PMMA UHMWPE Cp commercialement pur 1 en flexion 2 en compression Thèse G. Teixier 2005 Insa Rennes Biocompatibilité des surfaces Ti matériau bio inerte limiter la présence de V, Ni Biocompatibilité structurale : Faible module dYoung, notamment pour les alliages ou -métastable Bonne résistance mécanique Bonne résistance mécanique spécifique Bonne résistance à la fatigue

52 52 4. Assemblage Collage Bridage mécanique Soudage Soudage avec apport de matière (pbs de contamination O 2, N 2 ) 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 davion

53 53 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

54 54 4. Assemblage Assemblage par fusion : soudage à larc TIG soudage plasma soudage par faisceau laser CO2 soudage par faisceau délectron (FE) Assemblage par friction : friction inertielle friction pilotée malaxage (steer welding) Les alliages de titane présentent une grande affinité pour loxygène qui fragilise les structures soudées. Protection.

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

56 56 Conclusions Large domaine dapplication du titane CP Pour les alliages quasi et 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 57 35% dutilisation des alliages de titane %TiGrade%C%Fe%N%O max %HApplications Ti40< 0,100.,2< 0,03 0,250,015Excellente résistance à la corrosion, excellente soudabilité. 99,510,080,200,030,180,015Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes déchangeurs pour la désalinisation deau de mer, marine, échangeurs plats 99,220,080,250,030,200,015Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur. 99,130,080,250,050,300,015Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion 99,04 Ti60 0,080,250,050,400,015Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs davions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs Timet data sheets Exemple dapplications Titane commercialement pur (Ti CP)

58 58 -Cez Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe T 890°C Ti 17 Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr T 880°C Alliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à loxydation Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al T 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 datterrissage de gros porteurs. Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si T 800°C Alliage résistant à loxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères de moteurs, structures … ….. Ex dalliages riches et métastables Exemple dapplications

59 59

60 60 Ti, 5%Al, 2,5% Sn : TA5E (Température de transus T 1030°C) Bonnes propriétés mécaniques Re0,2806 MPa, Rm861 MPa A16% 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 61 Ti, 5%Al, 4% Sn, 4% Zr, 0,5% Mo, 0,7% Nb, 0,35% Si : Ti 834 T 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. 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 T 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. Trois alliages pour pièces moteurs disques moteurs, compresseurs, aubes, éléments de structure (températures élevées)...

62 62 Types dalliages ex. -Cez Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe T 890°C Ti 17 Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr T 880°C Alliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à loxydation Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al T 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 datterrissage de gros porteurs. Ti 21S Ti-15Mo-3Nb-3Al-0.2Si T 800°C Alliage résistant à loxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères de moteurs, structures … ….. Les alliages riches et métastables T bien plus faible que les alliages quasi et

63 63 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 loxydation 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 64 4. Assemblage Procédés de soudage par fusion TIGPLASMALASER CO2FE Puissance spécifique <1 GW/m2> 1 GW/m2 > 10 à 100 GW/m2 > 10 à 1000 GW/m2 ElectrodeNon fusible (W) AtmosphèreInerte (Ar) Mélange Gazeux (CO2-He-N2) Vide (10-2 Pa) Soudure Avec ou sans métal dapport Sans métal dapport Caractéristique de la soudure large Moins large que TIG ZF fines ZAT étroites ZF fines ZAT étroites Epaisseur de soudage < 3mm<8mmImportante <50 mm Retrait Important (0.5 à 0.8 mm) Inférieur au TIG 0.3 à 0.4 mm Faible idemFaible B. Barbier Snecma Cours CACEMI Alliages de titane

65 65

66 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion) Absorption dhydrogène Réduction de leau conduit à labsorption dhydrogène Précipitations dhydrures fragilisants Plus il y a de phase plus il y a absorption dhydrogène Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al Y. Combres Technique de lingénieur

67 67 Éléments en insertion H, gène Pas dinfluence sur les propriétés Formation dhydrures baisse de ductilité Présence de la phase piège lH et empêche la formation d hydrures T40 alpha solubilité limite 19ppm TA6V4 alpha bêta 800 à 1000 ppm O, N et C gènes Durcissent la phase Diminue la ductilité Influence des éléments dalliages

68 68 Eléments en substitution Al gène Durcit alpha, améliore le fluage et le compromis résistance ductilité aux températures cryogéniques Durcit la phase Module dYoung 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 lhydrogène Sn, neutre Durcit alpha et bêta, améliore le compromis résistance ductilité de tout alliage alpha bêta Zr, neutre Influence des éléments dalliages

69 69 Améliore la résistance, la ductilité et le fluage moyenne température. Augmente la tenue à loxydation. Empêche la précipitation grossière de Ti 3 Al retarde la précipitation fine de Ti 3 Al Mo, gène Améliore la ductilité mais baisse la tenue à loxydation. V, gène Améliore la résistance, mais baisse la ductilité (limitation à 4% pour les alliages alpha bêta) Cr, gène Améliore le compromis résistance/ductilité/fluage moyenne température. Baisse fortement T et permet de travailler plus bas en température. Fe, gène Améliore la tenue au fluage par précipitation de siliciures. On se limite à 1% pour éviter les trop fortes chutes de ductilité. Si, gène Influence des éléments dalliages Eléments en substitution

70 70 Les alliages riches et métastables TTT Diagram Ti17 ( 30 min at 920°C ; T 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 71 Les alliages riches et métastables 0,25mm

72 72 Exemple de gamme de traitements de lalliage Ti 17 %α%α 67%0% temps Taux de phase α déquilibre TβTβ FORGEAGEMISE EN SOLUTIONREVENU TT Les alliages riches et métastables

73 73 Evolution de la dureté en fonction du temps de vieillissement Y. Combres Technique de lingénieur

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

75 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 76

77 77

78 78 Phases en présence au cours des traitements Phase et Phase Phase métastable ( m) : phase retenue à lambiante mais avec sa composition chimique haute température ; est susceptible de se transformer par traitement thermique ultérieur (en phase à haute température et à basse température). Phase stable ( s) : phase retenue à lambiante stabilisée et impossible à transformer par traitement thermique. 2.3 Microstructures des alliages de titane Transformations structurales Cas des alliages métastable : Phase prime ( ) : phase hexagonale comme α, mais ayant la même composition chimique que le dorigine ; obtenue par trempe rapide de la phase. Phase seconde ( ) : phase orthorhombique, précipitant par TT ou sous contrainte dans m Phase oméga ( ) : phase précipitant soit lors du refroidissement rapide de βm ( athermique), soit au cours dun traitement thermique ( isotherme).

79 79 On pourra aussi distinguer Phase transformée ( t ) : décomposition de par refroidissement lent en structure lamellaire. Phase primaire ( I ) : phase présente à léquilibre à haute température pendant le traitement thermique ou thermomécanique. Phase a secondaire ( II ) : phase résultant de la transformation de m ou t au cours de traitements thermiques. 2.3 Microstructures des alliages de titane Transformation structurales

80 80 Propriétés à température ambiante 3.2 Propriétés mécaniques spécifiques

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

82 Microstructures des alliages de titane à température ambiante alliages constitués de phase Ti17 métastable Ti 64 MOMEB

83 83 35% dutilisation des alliages de titane Pour améliorer la résistance à la corrosion ajout de Pd %TiGrade%C%Fe%N%O max %HApplications Ti40< 0,100.,2< 0,03 0,250,015Excellente résistance à la corrosion, excellente soudabilité. 99,510,080,200,030,180,015Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes déchangeurs pour la désalinisation deau de mer, marine, échangeurs plats 99,220,080,250,030,200,015Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur. 99,130,080,250,050,300,015Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion 99,04 Ti60 0,080,250,050,400,015Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs davions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs Timet data sheets 3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)

84 84 Techniques conventionnelles Préparation de lélectrode Préparation de lots à partir des matières premières (éponges, éléments dalliage, chutes, copeaux …) Compactage Empilements des compacts, et solidarisation par soudage plasma ou faisceau de - sous vide Yves Combres Techniques de lIngénieur Cycle de préparation des matières destinées à être refondues 1. Généralités – Élaboration secondaire

85 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion) Absorption dhydrogène Réduction de leau conduit à labsorption dhydrogène Précipitations dhydrures fragilisants Plus il y a de phase plus il y a absorption dhydrogène Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al Y. Combres Technique de lingénieur


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