L'histoire du développement et l'application des alliages de titane
Le titane est un métal structurel important qui a été développé dans les années 1950. Les alliages de titane sont largement utilisés dans divers domaines en raison de leur résistance spécifique élevée, de leur bonne résistance à la corrosion et de leur résistance à la chaleur.
De nombreux pays à travers le monde, tels que les États-Unis, le Japon, la Russie et la Chine, ont reconnu l’importance des matériaux en alliage de titane et ont étudié et développé avec succès leurs applications pratiques.
L'industrie américaine du titane a connu une émergence précoce et, grâce à son envergure et à sa technologie, elle occupe aujourd'hui une position de leader mondial. Initialement axée sur la recherche fondamentale sur les alliages de titane, elle a enregistré des avancées notables dans le monde entier, en tant que référence pour l'application et le développement de ces matériaux.
Le premier alliage de titane pratique est celui des États-Unis en 1954, le développement réussi de l'alliage Ti-6Al-4V, en raison de sa résistance à la chaleur, de sa résistance, de sa plasticité, de sa ténacité, de sa formabilité, de sa soudabilité, de sa résistance à la corrosion et de sa biocompatibilité sont meilleurs, et est devenu un alliage de référence dans l'industrie des alliages de titane, l'utilisation de cet alliage a représenté 75% à 85% de tous les alliages de titane.
Les années 1950 et 1960 ont vu le développement des alliages de titane haute température pour les moteurs d'avion et des alliages de titane structurels pour les cellules. Plusieurs alliages de titane résistants à la corrosion ont été développés dans les années 1970, et des alliages de titane résistants à la corrosion et à haute résistance ont été perfectionnés depuis les années 1980.
La température de résistance à la chaleur alliages de titane est passée de 400℃ dans les années 50 à 600～650℃ dans les années 90.
L'émergence des alliages à base d'α2 (Ti 3 Al) et de γ (TiAl) pousse l'utilisation du titane dans les pièces de moteur de l'extrémité froide du moteur (ventilateur et moteur à gaz sous pression) vers l'extrémité chaude du moteur (turbine).
Les alliages de titane structurels présentent une résistance, une plasticité, une ténacité, un module et une tolérance aux dommages élevés.
L'industrie aérospatiale américaine est actuellement celle qui utilise le plus de titane. Dans les années 1980, après la conception de divers chasseurs et bombardiers militaires de pointe, la proportion d'alliages de titane s'est stabilisée à plus de 20 %.
Nouveaux progrès dans la recherche sur les alliages de titane
Ces dernières années, de nombreux pays ont développé de nouveaux alliages de titane à faible coût et à hautes performances et s'efforcent de les intégrer à l'industrie civile, avec un fort potentiel commercial. Les progrès récents de la recherche sur les alliages de titane, tant au niveau national qu'international, se reflètent principalement dans les aspects suivants.
Alliage de titane haute température
Le premier alliage de titane haute température développé avec succès au monde présente une température de service de seulement 300 à 350 °C. Par la suite, les alliages IMI550, BT3-1 et autres, dont la température de service est de 400 °C, ont été développés successivement, ainsi que les alliages IMI679, IMI685, Ti-6246, Ti-6242 et autres, dont la température de service est de 450 à 500 °C.
Au Royaume-Uni, les nouveaux alliages de titane haute température IMI829 et IMI834 ont été appliqués avec succès dans les moteurs d'avions militaires et civils.
Les États-Unis possèdent l'alliage Ti-1100, la Russie les alliages BT18Y et BT36, etc. Ces dernières années, des pays étrangers ont utilisé la technologie de solidification rapide/métallurgie des poudres et des matériaux composites renforcés de fibres ou de particules pour développer des alliages de titane à haute température, permettant ainsi d'augmenter leur utilisation jusqu'à 650 °C au-dessus de la température.
La société américaine McDonnell Douglas a développé avec succès un alliage de titane de haute pureté et de haute densité grâce à la technologie de solidification rapide et de métallurgie des poudres. Sa résistance à 760 °C est équivalente à celle de l'alliage de titane actuellement utilisé à température ambiante.
Alliages de titane à base de composés titane-aluminium
Comparés aux alliages de titane classiques, les composés intermétalliques Ti3Al(α2) et TiAl(γ) à base de composés titane-aluminium présentent les principaux avantages suivants : une bonne tenue à haute température (température de fonctionnement maximale de 816 °C et 982 °C respectivement), une forte résistance à l'oxydation, une bonne résistance au fluage et une légèreté (densité deux fois inférieure à celle des alliages haute température à base de nickel), ce qui en fait les matériaux les plus compétitifs pour les futurs moteurs et pièces de structure d'avion.
Actuellement, deux alliages de titane à base de Ti-3 Al, le Ti-21Nb-14Al et le Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo, sont en cours de production en série aux États-Unis. Le premier est utilisé comme verrous de moteurs pressurisés haute pression, bagues de support de turbine haute pression, pièces d'étanchéité de queues de missiles et de tuyères de chambre de combustion, etc. Le second, grâce à un traitement thermique de déformation, présente une bonne résistance et une bonne plasticité.
Alliage de titane de type β à haute résistance et haute ténacité
L'alliage de titane de type β a été développé pour la première fois au milieu des années 1950 par Crucible Company aux États-Unis. L'alliage de titane de type β présente de bonnes propriétés d'usinage à chaud et à froid, est facile à forger, peut être laminé, soudé et peut subir un traitement de vieillissement en solution solide pour obtenir des propriétés mécaniques élevées, une bonne résistance à l'environnement et une résistance élevée.
Développement et application des alliages de titane dans les principaux domaines
Développement et application des alliages de titane dans l'industrie militaire
Le titane est un métal structurel important développé dans les années 1950, et sa première application est de fournir des matériaux haute performance pour l'industrie aéronautique militaire.
Avec le développement de l'industrie militaire dans divers pays, les domaines d'application du titane n'ont cessé de s'élargir. Aujourd'hui, il est de plus en plus utilisé dans l'aérospatiale, l'énergie nucléaire, la marine, l'armement et d'autres domaines, devenant ainsi un métal stratégique essentiel.
Son niveau d’application est également devenu un indicateur essentiel de l’armement avancé d’un pays, reflétant son niveau et sa force militaire.
Le titane est utilisé dans l'industrie militaire, principalement à base de titane et d'alliages de titane, qui présentent d'excellentes propriétés : légèreté, résistance spécifique élevée, résistance aux températures élevées et bonne résistance à la corrosion. De plus, des matériaux composites peuvent être adaptés à la structure.
Outre les caractéristiques susmentionnées, le titane présente également une ténacité élevée, une grande élasticité, des propriétés amagnétiques et de nombreux autres avantages. Tous ces atouts offrent des conditions optimales pour son application dans l'industrie militaire.
Avions
L'alliage de titane est l'un des principaux matériaux de structure des avions et des émetteurs contemporains. Aux États-Unis, dans les années 1980, après la conception de divers chasseurs et bombardiers militaires de pointe, la proportion de titane était supérieure à 20 %.
Par exemple, l’avion de combat F-15 de troisième génération utilise 27 % d’alliage de titane, tandis que le F-22 de quatrième génération en utilise 41 %.
Le F-22 est un chasseur tactique conçu par Lockheed, Boeing et General Dynamics. Il est le chasseur de quatrième génération le plus représentatif au monde.
Pour la première fois, il combine furtivité, grande maniabilité et agilité, ainsi qu'une croisière supersonique sans turbocompresseur. Après l'an 2000, il deviendra le principal avion de contrôle aérien de l'US Air Force.
Le moteur du F-22 utilise également l'alliage C,E, un alliage de titane ignifuge nouvellement développé, pour le récepteur du pressuriseur haute pression, le corps de la chambre de combustion chargée de carburant et la tuyère de queue.
L'avion naval F/A-18 utilise principalement des alliages de titane pour son cadre porteur, sa poutre longitudinale, son empennage et sa structure de queue, ainsi que pour d'autres pièces clés. Les principaux alliages de titane utilisés sont le Ti-6Al-4V et le Ti-15-3 (Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr).
Les articulations du fuselage et des ailes sont réalisées en Ti-6Al-4V recuit bêta, tandis que le tube de couple de freinage est en Ti-6Al-4V moulé. De plus, la métallurgie des poudres de Ti-6Al-4V pressée isostatiquement à chaud est utilisée pour les articulations des supports d'arrêt d'atterrissage et les supports moteur afin de réduire les coûts et d'optimiser l'utilisation des matériaux.
D'autres, comme le Joint Strike Fighter (JSF), sont des chasseurs d'attaque tactiques polyvalents et bon marché qui remplaceront les F-16C et A-10 de l'US Air Force, les F/A-18E/F de la Navy et les F/A-18 et AV-8B du Marine Corps.
Le V-22 est un avion à rotors basculants transportable développé par Bell Helicopter pour le Corps des Marines. Il offre les avantages du décollage, de l'atterrissage et du vol stationnaire verticaux des hélicoptères, et renforce les avantages du vol à grande vitesse et du long rayon d'action des avions. La technologie du rotor basculant du V-22 est comparable à celle d'un réacteur ou d'un hélicoptère.
L'alliage de titane est utilisé pour le cadre d'étanchéité du pare-brise, la structure de la nacelle principale du moteur et la cloison pare-feu principale. Howmet a remplacé les 43 éléments et 536 fixations d'origine par une pièce moulée en titane monolithique pour les joints de transmission, principaux supports du système rotor et du moteur.
Navires
Le titane présent dans la croûte terrestre est extrêmement riche en réserves. Sa faible densité et sa grande résistance lui confèrent une excellente résistance à la corrosion, à la chaleur et aux basses températures. Le titane présente une forte résistance à la corrosion acide et alcaline. Immergé dans l'eau de mer pendant 5 ans sans rouiller, l'acier se corrode et se détériore.
Grâce à l'alliage de titane utilisé pour la fabrication de la coque du navire, l'eau de mer ne peut pas la corroder, ce qui la rend adaptée à une utilisation dans les sous-marins, qui résistent à la corrosion de l'eau de mer et à la pression profonde.
Sa profondeur de plongée est augmentée de 80 % par rapport aux sous-marins en acier inoxydable. De plus, le titane est amagnétique, indétectable par les mines et possède une excellente fonction anti-surveillance.
Les sous-marins en acier plongeant à plus de 300 m de profondeur sont facilement affectés par la pression de l'eau. Les sous-marins en titane, capables de plonger à plus de 300 m de profondeur, non seulement ne seront pas écrasés, mais résisteront également efficacement aux attaques de bombes en eaux profondes, démontrant ainsi le charme unique et les excellentes performances du « sous-marin en titane ». Le titane est aujourd'hui un matériau irremplaçable pour les navires hauturiers.
Dès 1968, la Russie produisait avec succès des sous-marins tout titane. Depuis le milieu des années 1960, elle a produit six à sept sous-marins tout titane de classe « Alpha » à double coque haute pression, chacun pouvant contenir jusqu'à 6 7 tonnes de titane. Le sous-marin « Alpha » est fabriqué en titane, le matériau le plus résistant au monde.
Les sous-marins d'attaque « Alpha », grâce à l'utilisation d'un alliage de titane avancé pour le matériau de la coque, peuvent atteindre une profondeur maximale de 900 m.
De plus, comme les sous-marins nucléaires de classe « Shark », les sous-marins nucléaires polyvalents de type 945 et 988, etc., leur déplacement sous-marin, leur vitesse sous-marine et leur limite de profondeur de plongée allant jusqu'à 800 m, ainsi que leur coque résistante à la pression sont construits en alliage de titane.
L'alliage de titane est également largement utilisé dans les réservoirs de lancement de torpilles, les cylindres haute pression de lancement de torpilles, les refroidisseurs de crise, les pompes, les vannes, les tubes, les hélices, etc., fabriqués en alliage de titane, ce qui permet d'obtenir de bonnes performances et la durée de vie est considérablement prolongée.
Véhicules de combat
Face à la menace croissante des blindages antichars, les blindages de protection deviennent également plus épais et plus lourds ; la masse des véhicules de combat a augmenté de 15 à 20 % au cours de la dernière décennie, affectant gravement leur capacité de transport et leur mobilité. Remplacer l'acier de blindage homogène laminé par des alliages de titane est un moyen efficace de réduire le poids.
Aux États-Unis, l’alliage de titane a été utilisé dans les chars de combat principaux M1 « Abrams » et les véhicules de combat M2 « Bradley ».
Pour le char de combat principal M1, le département de l'armée américain a étudié l'application de nombreux composants en alliage de titane et a également envisagé d'utiliser un alliage de titane au lieu d'acier homogène laminé pour la fabrication de chars et d'autres parties du projet technologique.
Sur le M2, le titane a été principalement utilisé pour améliorer la trappe de commandement et le blindage d'attaque supérieur. Une mesure visant à renforcer ce blindage a consisté à utiliser un blindage supplémentaire en alliage de titane forgé dans des zones spécifiques pour protéger contre les munitions de gros calibre.
D'autres, comme le véhicule blindé de transport de troupes M113, étaient également dotés d'un blindage supplémentaire en titane pour augmenter la résistance balistique du blindage.
Le titane est largement utilisé dans deux obusiers tractés légers de 155 mm du système d'artillerie. Le futur obusier automoteur Crusader de 155 mm utilisera également du titane pour de nombreux composants.
Le Corps des Marines des États-Unis étudie diverses options pour réduire la masse du véhicule d'assaut amphibie avancé, l'une d'entre elles consistant à utiliser un blindage léger.
Une autre option consiste à utiliser un alliage d'acier de type titane pour des composants tels que les roues porteuses, les bras d'équilibrage et les réducteurs de charge. Malgré ses excellentes performances, l'alliage de titane est peu utilisé en raison de son prix élevé.
Et ne peut pas être largement utilisé.
Ces dernières années, les États-Unis ont développé avec succès de nouveaux alliages de titane militaires à faible coût. Leurs propriétés mécaniques, leur résistance aux balles et d'autres indicateurs sont équivalents ou supérieurs à ceux de l'alliage de titane militaire traditionnel Ti-6Al-4V, mais leur coût est inférieur.
Ces nouveaux matériaux en alliage de titane sont d’une grande importance pour promouvoir et élargir l’utilisation de l’alliage de titane dans la défense nationale.
Comme mentionné ci-dessus, dans les futurs véhicules de combat et systèmes d'artillerie, l'armée américaine utilisera des alliages de titane à faible coût pour remplacer l'acier homogène laminé et les alliages d'aluminium pour fabriquer des blindages et des composants pour améliorer le blindage et réduire le poids, et son application sera progressivement étendue.
Les alliages de titane à faible coût présentent un fort potentiel d'application pour la marine et l'armée de l'air américaines. En raison de la corrosion due à l'eau de mer, la marine américaine doit remplacer environ 97 km par an d'échangeurs de chaleur par des tubes en alliage cuivre-nickel.
Le tube peut être fabriqué en alliage de titane, ce qui prolonge sa durée de vie et permet de réaliser des économies substantielles en termes de réparation et de maintenance. L'US Air Force s'intéresse également aux alliages de titane à bas prix. Le procédé de fusion au four froid permet de réduire le coût des alliages de titane de qualité aéronautique.
Application de l'alliage de titane en biomédecine
Les matériaux biomédicaux sont une branche importante de la science des matériaux, utilisés pour le diagnostic, le traitement ou le remplacement des tissus et organes humains ou pour améliorer leurs fonctions, avec un contenu technique élevé et une valeur économique élevée des nouveaux matériaux porteurs, la science et la technologie des matériaux sont un nouveau domaine en développement.
Au cours des dix dernières années, le taux de croissance du marché des matériaux et produits biomédicaux s'est maintenu autour de 10 à 20 %. On prévoit qu'au cours des dix à quinze prochaines années, l'industrie des dispositifs médicaux, y compris les matériaux biomédicaux, atteindra la taille du marché pharmaceutique et deviendra un pilier de l'économie mondiale au XXIe siècle.
Le titane est non toxique, léger, très résistant et présente une excellente biocompatibilité, ce qui en fait un matériau métallique médical idéal. Le titane et ses alliages, aux performances globales exceptionnelles, sont utilisés pour les articulations artificielles (hanche, genou, épaule, cheville, coude, poignet, articulations des doigts, etc.), les dispositifs de traumatologie osseuse (clous, plaques, vis, etc.), les systèmes de fixation interne orthopédiques rachidiens, les implants dentaires, les brackets dentaires, les fils orthopédiques, les valves cardiaques artificielles et les stents cardiovasculaires interventionnels. Ils constituent ainsi des matériaux de premier choix pour l'implantation de produits dans le domaine médical.
À l'heure actuelle, il n'existe pas de matériau métallique plus performant que l'alliage de titane pour un usage clinique. Les pays développés et les principaux fournisseurs mondiaux d'implants internes accordent une grande importance à la recherche et au développement sur les alliages de titane et lancent une série de nouveaux matériaux médicaux en alliage de titane, notamment des matériaux bioniques en alliage de titane biologiquement actifs.
Dans le traitement de surface des matériaux en alliage de titane médical, nous avons également réalisé de nombreuses conceptions et développements brevetés pour donner aux matériaux en alliage de titane médical une meilleure activité biologique afin de répondre aux besoins physiologiques du corps humain et d'atteindre l'objectif de récupération précoce des patients.
La population mondiale de près de 6.5 milliards d'habitants, selon des statistiques incomplètes, près de 400 millions de personnes handicapées, 60 millions de personnes handicapées physiques, 2 milliards de personnes atteintes de maladies dentaires, l'implantation actuelle de dispositifs biomatériaux de seulement 35 millions de personnes, le nombre de remplacements articulaires d'environ 1.5 million de cas par an, et le besoin réel du nombre de personnes qui doivent remplacer la différence est très loin.
Par conséquent, la demande du marché en matériaux biomédicaux présente un potentiel considérable. Le titane et ses alliages, matériaux métalliques biomédicaux de premier choix, connaîtront également une forte croissance. Il est donc impératif d'améliorer la recherche et le développement de ces alliages médicaux.
Application de l'alliage de titane dans le domaine civil
Industrie du vélo
La fabrication de cadres de vélo haut de gamme nécessitant une résistance et une dureté élevées, l'alliage de titane constitue un excellent choix. Sa masse ne représente que 50 % de celle de l'acier, mais son rapport résistance/masse est supérieur de 28.4 % à celui de l'acier au chrome-molybdène.
Le titane présente également une excellente résistance à la fatigue, avec une limite de fatigue deux fois supérieure à celle de l'acier. Les cadres en aluminium ne peuvent rivaliser avec le titane à cet égard après une longue période d'utilisation. Cet alliage de titane haute résistance et faible densité utilisé dans les cadres de vélo rend ces derniers non seulement plus légers et plus solides, mais aussi plus durables.
Industrie automobile
L'industrie automobile est un autre secteur où l'utilisation des produits en titane connaît un développement rapide. Soupapes, bielles, vilebrequins, pots d'échappement, ressorts de suspension, silencieux, carrosseries et fixations, etc., sont fabriqués en titane ou en alliage de titane.
Par exemple, la soupape, avec le nouvel alliage d'aluminium titane développé, peut grandement améliorer les performances du moteur, par rapport aux alliages à base de nickel utilisés dans le passé, la densité relative de la petite résistance au fluage, avec une meilleure résistance à l'usure.
Avec le développement et l'application ultérieurs des produits en titane, les pièces et composants en titane joueront un rôle de plus en plus important dans l'amélioration des performances, de la qualité et du confort des automobiles.
Les exigences en matière de sécurité, de confort et de longue durée de vie deviennent de plus en plus strictes, en particulier pour les voitures de moyenne et haute qualité, ce qui offre de grandes opportunités de développement pour l'application du titane dans l'industrie automobile.
Industrie du sport
L'application du titane dans les articles de sport, depuis la première raquette de tennis, la raquette de badminton, jusqu'aux dernières années, l'utilisation généralisée des têtes de golf, des clubs et des voitures de course, etc., a fait progresser considérablement la compréhension du titane par les gens.
Les clubs de golf en titane, dont le marché des têtes de club a connu quelques années d'ajustement substantiel, demeurent un pilier majeur du secteur civil du titane. Les États-Unis connaissent une croissance rapide dans le secteur des balles de golf et autres fournitures civiles en titane.
Avec la reprise progressive du marché des clubs et têtes de golf en titane, la future concurrence sur le marché mondial du golf en titane passera également de la concurrence initiale sur le prix et la qualité au service et à la différenciation.
Le produit en titane le plus courant sur le marché aujourd'hui est la raquette de tennis. Actuellement, le titane est utilisé dans les raquettes de tennis en intégrant un filet en titane pur dans le cadre de la raquette.
Récemment, le titane a attiré l’attention pour de nouvelles utilisations, comme l’amélioration de l’effet de frappe de la balle grâce à sa résilience.
L'équipement et les skis d'alpinisme sont de plus en plus légers, compacts et faciles à transporter. Le titane, caractérisé par sa faible densité, sa résistance spécifique élevée et sa faible résistance aux chocs à basse température, est largement utilisé comme matériau de qualité supérieure pour les équipements d'alpinisme.
Le titane a été largement utilisé comme matériau supérieur pour les équipements d'alpinisme en raison de sa faible gravité spécifique, de sa résistance spécifique élevée et de sa valeur d'impact non décroissante à basse température.
Les articles de sport en titane comprennent des masques de protection d'escrime, des épées, des patins à glace, des cannes à pêche, des cadres de ligne de pêche, des pièces d'aviron, des bâtons de ski, des pelles à neige, des bâtons de glace d'alpinisme, des pointes d'alpinisme, des chaussures de course sur piste et sur terrain utilisées dans le moulage par injection du système Ti-Fe de la semelle des clous, etc.
Conclusion
Le titane et ses alliages sont largement utilisés dans les applications aérospatiales, militaires, marines, médicales et civiles en raison de leurs excellentes propriétés telles que la résistance élevée, la faible densité, la résistance à la corrosion, la résistance aux températures élevées et la biocompatibilité.
Les alliages de titane sont en constante évolution et devraient devenir un choix important pour les matériaux hautes performances à l'avenir. Leur utilisation améliore les performances et la durabilité, notamment dans l'aéronautique, les sous-marins, les prothèses articulaires et les produits de consommation haut de gamme.
La recherche et le développement d’alliages de titane à faible coût et à hautes performances élargiront encore le potentiel de leur application, stimulant l’innovation et la croissance dans diverses industries.