Le titane ainsi que ses alliages présentent une combinaison de propriétés mécaniques et physiques et une résistance à la corrosion uniques qui les ont rendus attractifs pour les secteurs cruciaux et exigeants que sont l'aérospatiale, l'industrie en général, les industries chimiques et énergétiques. Parmi les caractéristiques essentielles des alliages répertoriés dans le Tableau 1, le rapport résistance mécanique-densité élevé du titane représente la principale motivation du choix de ce métal pour la conception des structures et composants de moteurs et cellules d'aéronefs. Sa résistance exceptionnelle à la corrosion/érosion constitue la première motivation de son utilisation en milieu marin, industriel et lors de processus chimiques. La figure 1 révèle l'efficacité structurelle supérieure des alliages de titane à haute résistance, en comparaison avec les alliages d'acier et d'aluminium structurels, notamment lors de l'augmentation de la température d'utilisation. Les alliages de titane offrent également des propriétés intéressantes sous des températures élevées pour leur application dans des turbines à gaz chauds et des composants de moteurs automobiles, où davantage d'alliages résistants au fluage peuvent être sélectionnés pour des températures allant jusqu'à 600°C (1100°F) [voir Figure 2].

La famille des alliages de titane offre un large éventail de résistances mécanique, de combinaisons de résistance mécanique et de ténacité, ainsi que le montre la Figure 3. Ceci permet une sélection optimisée des alliages qui peut être personnalisée pour un composant important selon qu'il dépende de la résistance et des courbes de fatigue S-N, ou de la ténacité et de la propagation de criques (s'il y a une taille critique de défaut) lors de l'utilisation. Les alliages de titane présentent également une courbe de fatigue S-N et une vie atmosphérique excellentes, laquelle reste plus ou moins inaltérée par l'eau de mer (Figure 4) et d'autres environnements. La plupart des alliages de titane peuvent être traités pour présenter une ténacité élevée avec un minimum de dégradation due à l'environnement (bonne résistance à la corrosion sous contrainte) si nécessaire. En fait, les alliages de titane à résistance mécanique moindre sont généralement résistants à la corrosion sous contrainte et à la fatigue par corrosion dans les solutions aqueuses de chlorures. Pour des composants ou des appareils soumis à des pressions critiques dans des applications industrielles, les alliages de titane sont classés sous de nombreux codes de conception et offrent des caractéristiques intéressantes autorisant jusqu'à 315°C (600°F), comme l'illustre la Figure 5. Certains codes de pression nominale ordinaires comprennent le code des chaudières et appareils à pression de l'ASME (Sections I, III et VII), le code de pression ANSI (ASME) B31.3, le BS-5500, CODAP, les codes européens Stoomwezen et Merkblatt et les codes australien AS 1210 et japonais JIS.

Résistance à la corrosion et à l'érosion

Les alliages de titane affichent une résistance exceptionnelle dans nombre d'environnements et de conditions chimiques grâce à un film d'oxyde fin, invisisible mais extrêmement protecteur. Ce film, principalement constitué de TiO₂, est très tenace, adhésif et stable chimiquement et peut, spontanément et instantanément, s'auto-régénérer s'il est endommagé mécaniquement ou si l'environnement présente de quelconques traces d'oxygène et d'eau (humidité). La protection du métal a lieu dans des conditions variant de modérément réductrices à fortement oxydantes, et d'extrêmement acides à modérément alcalines, même à des températures élevées. Le titane est particulièrement connu pour sa grande résistance aux attaques localisées et à la corrosion sous contrainte aux chlorures en milieu aqueux (ex. : eaux salée, eau de mer) et aux autres halogénures et bains d'halogènes humides (ex.: Cl₂ en solution, saumure saturée en Cl₂), et aux solutions acides chaudes, fortement oxydantes (ex. : FeCl₃ et solutions d'acide nitrique) où la plupart des aciers, des aciers inoxydables et des alliages à base de cuivre (et de nickel) peuvent subir de sérieuses attaques. Les alliages de titane sont par ailleurs reconnus pour leur résistance supérieure à l'érosion, à la corrosion-érosion, à la cavitation et à la corrosion par érosion lors de l'écoulement de fluides turbulents. On peut compter sur cette résistance à la corrosion et à l'érosion exceptionnelle du métal forgé dans des assemblages soudés, des zones affectées par la chaleur et des produits coulés avec la plupart des alliages de titane, puisque le même film d'oxyde protecteur est formé.

La résistance utile des alliages de titane est limitée en milieu concentrés en acides fortement réducteurs, tels que les solutions à concentration modérée ou élevée en HCl, HBr, H₂SO₄, et H₃PO₄, et en solutions de HF à toutes les concentrations, notamment lorsque la température augmente. Cependant, la présence d'espèces oxydantes de l'environnement courant ou contaminantes (ex.: air, oxygène, produits de corrosion métallique d'alliages ferreux et autres ions métalliques et/ou composés oxydants), même à des concentrantions aussi faibles que 20-100 ppm, peut souvent maintenir ou étendre de manière spectaculaire les limites de performances utiles du titane dans des milieux acides réducteurs de force diluée à modérée. Lorsqu'une résistance accrue aux acides réducteurs dilués et/ou à la corrosion fissurante dans des solutions de chlorure/halogénure chaudes (75°C) est requise, les alliages de titane contenant des niveaux faibles de palladium (Pd), de ruthérium (Ru), de nickel (Ni), et/ou de teneur élevée en molybdène (3,5 poids.% Mo) doivent être envisagés. Parmi ces alliages de titane plus résistants à la corrosion, on peut citer les grades ASTM suivants : 7, 11, 12, 16, 17, 18, 19, 20, 26, 27, 28 et 29. Ces teneurs moindres en éléments d'alliage empêchent également la probabilité de corrosion sous contrainte dans les alliages de titane à forte résistance mécanique exposés à des saumures chaudes, sulfurées ou non.

Par conséquent, les alliages de titane offrent généralement une résistance utile à une variété notablement plus grande d'environnements chimiques (c'est-à-dire, le potentiel pH et redox) et de températures, par rapport aux aciers, aux aciers inoxydables et aux alliages à base d'aluminium/cuivre/nickel. Le Tableau 3 (voir page 5) donne un aperçu d'une myriade d'environnements chimiques où les alliages de titane ont été utilisés efficacement dans les industries de traitement chimique et de l'énergie.

Autres propriétés intéressantes des alliages de titane

• Résistance exceptionnelle à l'érosion et à la corrosion-érosion
• Excellente résistance à la fatigue dans l'air et dans les environnements contenant des chlorures
• Ténacité élevée dans l'air et dans les environnements contenant des chlorures
• Module d'élasticité faible
• Coefficient de dilatation faible
• Point de fusion élevé
• Essentiellement amagnétique
• Haute résistance intrinsèque au choc
• Rapport résistance balistique-densité élevé
• Non toxique, non allergène et complètement biocompatible
• Moitié de vie radioactive très courte
• Excellentes propriétés cryogéniques
  

La densité relativement faible du titane, laquelle représente 56% de celle des alliages d'acier, et la moitié de celle des alliages de nickel et de cuivre, signifie un volume de métal deux fois inférieur et des coûts en produits semi-finis beaucoup plus intéressants lorsqu'ils sont comparés à ceux d'autres métaux sur une base dimensionnelle. Ajouté à une plus grande résistance mécanique, cette comparaison se traduit évidemment par des composants plus légèrs et/ou plus petits à la fois pour des structures statiques et dynamiques (moteurs et cellules d'aéronefs, équipements militaires transportables), et des contraintes amoindries pour les composants rotatifs et alternatifs plus légèrs (ex.: centrifugeuses, arbres, hélices, agitateurs, pièces mobiles de moteur
, ventilateurs).  La réduction du poids du composant et des charges suspendues permise par les alliages de titane est également essentielle pour les tiges tubulaire et les colonnes de montée dynamiques offshore de la production d'hydrocarbure, ainsi que pour les bateaux de la marine et les structures/composants submersibles.

Les alliages de titane présentent un faible module d'élasticité qui équivaut presque à la moitié de celui des alliages d'acier et de nickel. Cette augmentation d'élasticité (flexibilité) signifie une réduction des tensions de flexion et cycliques pour les applications de contrôle de flèche, ce qui les rend idéaux pour les ressorts, les soufflets, les implants corporels, les montages dentaires, les colonnes de montée dynamiques offshore, des tuyaux de forage et différents équipements sportifs. La non réactivité inhérente du titane (non toxique, non allergénique et totalement biocompatible), avec le corps et les tissus, a entraîné son utilisation généralisée dans les implants corporels, les prothèses, les bijoux et dans la transformation des aliments. Grâce à la combinaison remarquable de résistance élevée, faible module et faible densité, les alliages de titane sont intrinsèquement plus résistants aux dommages causés par des chocs et des explosions (ex.: applications militaires) que la plupart des autres matériaux d'ingénierie. En effet, ces alliages possèdent des coefficients de dilatation qui sont significativement inférieurs à ceux des alliages d'aluminium, de fer, de nickel et de cuivre. Cette faible dilatation permet l'amélioration de la compatibilité d'interface avec des matériaux céramiques et en verre, et minimise la déformation et les effets de fatigue pendant le cycle thermique.

Le titane est essentiellement amagnétique (très légèrement paramagnétique) et joue un grand rôle lorsque l'interférence électromagnétique doit être minimisée (ex.: appareils électroménagers, instruments de diagraphie des puits). En cas d'irradiation, le titane et ses isotopes présentent des demi-vies extrêmement courte et ne resteront pas chauds plus de quelques heures. Son point de fusion plutôt élevé lui confère sa bonne résistance à l'inflammation et à la combustion dans l'air, tandis que sa résistance balistique inhérente réduit sa probabilité de fondre et de brûler au cours de l'impact balistique, ce qui fait de lui un matériel léger de choix pour les équipements militaires. Les alliages de titane alpha et alpha-bêta possèdent une très faible température de transition cassant-ductile et sont, par conséquent, des matériaux intéressants pour des récipients et composants cryogéniques.

Caractéristiques de tranfert de chaleur

Le titane a été jusqu'à présent un matériau intéressant et très utilisé pour sa conductivité thermique pour les calandre/tube, plaque/cadre, et dans d'autres types d'échangeurs thermiques pour permettre le rechauffement ou le refroidissement de fluides, en particulier des refroidisseurs en eau de mer. L'efficacité des échangeurs thermiques peut en fait être optimisée grâce aux caractéristiques bénéfiques du titane suivantes :

• Résistance exceptionnelle à la corrosion et à l'érosion des fluides ;
• Film de surface en oxyde conducteur extrêmement fin ;
• Surface dure, lisse, peu adhésive ;
• Une surface qui favorise la condensation ;
• Conductivité thermique raisonnablement bonne ;
• Bonne résistance mécanique
  

Malgré le fait que le titane non allié possède une conductivité thermique inhérente en-dessous de celle du cuivre ou de l'aluminium, sa conductivité avoisine quand même 10 à 20% de plus que celle des alliages classiques d'acier inoxydable. Grâce à sa bonne résistance et à sa capacité à supporter la corrosion et l'érosion provoquée par l'écoulement des fluides turbulents (c'est-à-dire, corrosion admissible zéro), l'épaisseur des parois en titane peut être réduite considérablement afin de minimiser la résistance au transfert de chaleur (et le coût). La surface du titane est lisse, incorrodable et non-adhésive, ce qui permet le maintien d'un facteur élevé de propreté au fil du temps. Cette surface favorise une condensation en gouttelettes des vapeurs aqueuses, améliorant ainsi les taux de condensation dans les réfrigérateurs/condensateurs, par rapport à d'autres métaux, comme le montre la Figure 6. La capacité de conception et de fonctionnement malgré d'importants processus ou des débits latéraux d'eau de refroidissement et/ou des turbulences améliore encore le rendement général du transfert de chaleur.

Toutes ces caractéristiques ont permis la réduction de la taille des échangeurs thermiques en titane, des exigences relatives au matériel et des coûts généraux du cycle de vie initial, rendant ainsi les échangeurs thermiques du titane plus efficaces et plus économiques que ceux conçus avec d'autres alliages techniques ordinaires.