Métallurgie

Les produits de transformation à base de titane, disponibles aussi bien sous la forme commercialement pure qu'en alliage, peuvent être classés en trois catégories selon la ou les phase (s) prédominante (s) dans leur microstructure alpha, alpha-bêta et bêta. Bien que chacun des trois types d’alliages généraux exige des méthodologies de transformation par laminage spécifiques et différentes, chacun offre une suite particulière de propriétés qui peuvent être avantageuses pour une application donnée.

Dans le titane pur, la phase alpha caractérisée par une structure cristalline compacte hexagonale est stable à une température ambiante d’environ 882°C (1620°F). La phase beta dans le titane pur a une structure cubique centrée et est stable à partir d’environ 882°C (1620°F) jusqu'au point de fusion d’environ 1688°C (3040°F).

Effets de l'alliage d'éléments

L’ajout sélectif d’éléments d’alliage au titane favorise l’obtention d’une vaste gamme de propriétés mécaniques et physiques. Les effets fondamentaux de certains éléments d’alliage sont les suivants :

• Certaines combinaisons d’alliages notamment l’aluminium et les interstitiels (O, N, C) tendent à stabiliser la phase alpha, c’est-à-dire qu’ils augmentent la température à laquelle l’alliage sera complètement transformé en phase beta. Cette température est appelée température du transus bêta.
• Laplupart des combinaisons d’alliage tels que le chrome, le niobium, le cuivre, le fer, le manganèse, le molybdène, le tantale et le vanadium stabilisent la phase beta en diminuant la température de transformation (d’alpha à beta).
• Certains éléments comme l'étain et le zirconium se comportent comme des solubles neutres dans le titane et produisent un effet négligeable sur la température de transformation, en agissant comme des fortifiants de la phase alpha.

Les microstructures d'alliage du titane sont caractérisées par les divers éléments d’alliage ajoutés et par les transformations subies. Une description des divers types d’alliages et les photomicrographes spécifiques de divers produits laminés fabriqués sont illustrées.

Alliages alpha

Les alliages alpha de la monophase et de la semi-monophase du titane présentent une bonne soudabilité. Le contenu généralement élevé en aluminium de ce groupe d’alliages présente d’excellentes caractéristiques mécaniques et de résistance à l'oxydation à des températures élevées (de l’ordre de 316-593°C (600 - 1100°F)). Les alliages Alpha ne peuvent pas subir de traitement à chaud pour développer une plus grande résistance mécanique parce que ce sont des alliages monophasés.

Alliages alpha-bêta

La combinaison de quantités contrôlées d'éléments d'alliage à stabillisation bêta provoque une persistance de la phase bêta en deça de la température transus bêta, jusqu'à atteindre la température ambiante, ce qui donne un système biphasé. Même de petites quantités de stabilisateurs bêta stabiliseront la phase bêta à la température ambiante. Un groupe d'alliages à fortes teneur en stabilisateurs alpha et à faible teneur en stabilisateurs bêta constituent les alliages alpha-bêta, généralement appelés alliages alpha élevés ou pseudo-alpha.

Lorsque l'on ajoute une grande quantité de stabilisateurs bêta, un pourcentage plus important de phase bêta est retenu à température ambiante. De tels alliages de titane biphasés peuvent être considérablement renforcés par un traitement thermique de trempe à partir d'une température élevée dans l'intervalle alpha-bêta suivi par un cycle de vieillissement à une température un peu inférieure.

La transformation de la phase bêta qui se produirait normalement lors d'un refroidissement lent est annulée par le refroidissement. Le cycle de vieillissement provoque la précipitation de fines particules alpha du bêta métastable, attribuant une structure qui est plus solide que la structure alpha-bêta recuite.

Alliages bêta

Le fort pourcentage d’éléments stabilisateurs-bêta dans ce groupe d’alliages de titane conduit à une microstructure métastable beta après un recuit de solution. Un durcissement très important peut avoir lieu du fait de la précipitation de l'alpha au cours du vieillissement.