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Les alliages de titaneElisabeth Aeby-Gautier
LSG2M CNRS UMR 7584 - Ecole des Mines de Nancy
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PlanIntroduction1 Généralités2 Le titane pur et les familles d’alliages de titane
les éléments d’alliageles titanes CP (commercialement pur), les familles d’alliage : , , 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)
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Introduction
Titane et de ses alliages : marché existe depuis les années 50.
Les utilisations du matériau sont en relation avec ses différentes structures, propriétés mécaniquesses 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).
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Métal Demande mondiale (1000
tonnes)
$/tonne
Acier 730.000 400
Aluminium 20.000 1.500
Aciers Inox 13.000 2.000
Titane50
18.000 à 25.000
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
(prix à la tonne plutôt qu'en prix au m3 et en tonnage plutôt qu'en volume)
Association titane http://www.titane.asso.fr58 à 69 200564 à 74 2006 150€ kg billette
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MARCHE APPLICATIFCONSOMMATION
Tonnes (mondiale)
AERONAUTIQUE CIVILE14000 - 18000 200320000 - 24000 2005
AERONAUTIQUE MILITAIRE 8000 – 10000 20039000 – 12000 2005
ENERGIE/CHIMIE20000-23000 200322000 – 25000 2005
SPORT & LOISIRS 3000 t
BATIMENT 500 t
MEDICAL 800 t
AUTRES (dont lunetterie) 1000 t
TOTAL48000-58000 2003 58000 – 69000 2005
http://www.titane.asso.fr
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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
1. Généralités - Élaboration
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Refusion de l’électrode sous vide (VAR)
Lingot de diamètre entre 500 et 1000 mmPoids entre 1 et 10 tonnes
Schéma de principe du procédé VAR(Vacuum Arc Remelting)
Yves Combres Techniques de l’Ingénieur
Carte de répartition du molybdène dans un lingot de 3 ten diamètre 660 mm en alliage -CEZ, simulé par le logiciel SOLAR (doc. École des Mines de Nancy / CEZUS France)
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Refusion sur sole froide (depuis fin des années 1980)
secondary ingot
cold hearth
feed material electron beams
Élaboration complexe. Travail important sur la qualité du métal liquide
et l’homogénéité du lingot (ségrégation, fleck, particules (TiN …)).
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2. Le titane pur et ses alliages
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 °C
Température d’ébullition 3287 °C
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 . 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 -
2.1 Le titane pur
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2.1 Le titane pur
Module d’élasticité : 110 000 MPa
Limite d’élasticité : 350 MPa
Contrainte de Rupture : 450 MPa
Allongement à rupture : 28%
Caractéristiques mécaniques du matériau polycristallin
Alliage monocristallin HCP : anisotropie de comportement élastiqueE 145 GPa (direction axe c)E 100 GPa (direction axe a)
Comportement sensible à la texture
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2.1 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 = 1.587
<1.633)
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Le passage de phase β se fait selon le mécanisme proposé par Burgers
Relations d’orientations
de Burgers
[1 1 1] // (2 1 1 0)
(1 1 2) // (0 1 1 0)
(1 1 0) // (0 0 0 1)
882°CT<T T>T
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Microstructure formée au refroidissement :
morphologie lamellaire 12 variants dans un même grain
Texture de transformation
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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 , 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 l’étain (Sn).
O, N, B, C
H
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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 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
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Les principales familles d’alliages
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 l’équilibre voisines de 20 à 25 % ;
Ex : Ti 17 (Ti5Al2Sn2Zr4Mo4Cr) et -Cez (Ti 5Al2Sn4Zr4Mo2Cr1Fe)
• métastables (m) : alliages susceptibles de retenir de la phase métastable à l’ambiante 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 10-2-3 (Ti3Al10V2Fe)
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Timet
18
Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane
19
Les aluminures de titane
Nouvelle famille (intermétalliques) qui suscitent un grand intérêtIls sont basés sur les composés Ti3Al, TiAl
Structures ordonnées bonne stabilité à haute température, mais fragile à température ambiante
20
Y. Combres Techniques de l’ingénieur
Principales propriétés des familles d’alliage
21
Principales propriétés des familles d’alliage
Type d’alliage
Avantages Inconvénients
quasi (hors TNA)
Bonne stabilité sous contrainte à chaudBonne tenue au fluage jusque vers 650°CEmploi 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 mécaniquePeu de réponses aux TT
Caractéristiques mécaniques élevées par TTAssez bonne ductilité, y compris au pliageBonne stabilité sous contrainte à chaud jusque vers 500°CAssez bonne résistance à l’oxydation
Soudabilité fonction de la nuance et des procédésDuctilité des soudures inférieures à celles des alliages Trempabilité limitéeDuctilité 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 l’état trempéPossibilité d’obtention de très hautes résistances, à l’ambiante, éventuellement après conformation à froidTrempabilité élevée
Moins bonne tenue à l’oxydation et au fluageFaible stabilité à chaud sous contrainteTempérature maximale d’emploi 350 à 450°C suivant les alliages
Propriétés des alliages = f (microstructure)Cez : 970 ou 1700MPa Re0.2
22
T
(BCC)
(HCP)
métastable
Ms
20°C
O2, N2, B, C, Al
Mo, V, Nb, Ta,
Fe, Cr, Ni, Cu, W, Co% éléments gènes
% éléments gènes
T
Coupe schématique pseudo binaire des alliages de titane
2.2 Les alliages de titane – diagramme d’équilibre
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 d’équilibre
24
Equilibre thermodynamique: composition chimique
2.2 Les alliages de titane
Répartition des éléments d’alliage en fonction de la température Alliage TA6V4
25
2.3 Microstructures des alliages de titane
Ti 6242
Ti 6242 MO
Morphologie lamellaireobtenue pat TTM dans le domaine et TT ultérieurs
Morphologie globulaireobtenue par TTM dans le domainebiphasé et TT ultérieurs
à température ambiante alliages constitués de phase
Complexité des microstructures : fonction des TTM
Propriétés : f(microstructures)
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Exemples de morphologies de TA6V
2.3 Microstructures des alliages de titaneMicrostructures types
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 titaneTransformations structurales
(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)
Ti64 : 6%Al 4%V
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages :
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2.3 Microstructures des alliages de titaneTransformations structurales
(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)
Ti64 : 6%Al 4%V
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages :
30
Phases en présence au cours des traitements
Cas des alliages :
2.3 Microstructures des alliages de titaneTransformations structurales
(Y. Combres Techniques de l’ingénieur, F. Lemaitre ….)
Ti64 : 6%Al 4%VPhase et phase : morphologie, taille fonction du traitement
Phase ’ : phase hexagonale comme , mais ayant la même composition chimique que le d’origine ; obtenue par trempe rapide de la phase .
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Diagrammes TRC
Diagramme TRC de l’alliage -CEZ, après 30 minutes de mise en solution à 920°C (S. Bein Thèse CNAM 1996)
Diagramme TRC de l’alliage TA6V, après mise en solution à 1025°C
IV Les alliages riches et métastables
Alliages trempants : durcissement de l’alliage par précipitation différents mécanismes de transformations de phases
32
2.3 Microstructures pour les alliages de titane Types de traitements
temps
tem
péra
tur
e
Ti17
Morphologie globulaire + lamellaire (Ti17)
Contrôle de primaire
Contrôle de secondaire
Ti 6242
Ti 6242
temps
tem
péra
tur
e
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 d’empilement 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 qu’en ) ; Vitesse de fluage sont inversement proportionnelle à la taille des grains)
Généralités relations microstructure propriétés - Influence de la morphologie de la phase
34
3. Propriétés des alliages de titane
Structures lamellaires mêmes tendances
La ténacité est augmentée : due à la tortuosité des chemins de propagationLa vitesse de propagation des fissures diminue par contre par de gain en fatigue car la germination des fissures à l’interface est très aisée dans le cas d’une structure lamellaire
Généralités relations microstructure propriétés - Influence de la morphologie de la phase
mais
35
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.
3.1 Propriétés
Titane commercialement pur (Ti CP)
36
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 http://www.timet.com
3.1 Propriétés
Titane commercialement pur (Ti CP)
37
Microstructure de grains équiaxe
Déformable à froid
Excellente soudabilité (notamment pour les faibles teneurs en Oeq)
Non trempant
3.1 Propriétés
Titane commercialement pur (Ti CP)
38
3.1 Propriétés
Conditions de TT Rm (MPa) Rp 0.2(MPa)
A (%) Z (%)
Forgé Etat recristallisé
880 710 13 36
Forgé Etat recuit
897 828 10 25
Forgé C
938 876 15.2 34
Forgé C
973 904 15.5 47
Forgé R.Air + 705°C
856 773 11.2 23
Forgé 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
L’alliage TA6V4
39
Propriétés à température ambiante
Nuance Rm (MPa) Rp 0.2(MPa)
A (%) E (GPa)
Ti : CP T40 483 352 28 110
Quasi : IMI 685 1020 914 8 110
: TA6V4 1000 910 18 110
: IMI 550 1138 1035 12 110
-Cez 1250 1150 11 115
-Cez max 1700 1650 7 115
-Cez 100% 927 723 9 70
3.1 Propriétés
Comparaison de divers alliages
40
Propriétés à température ambiante
NuanceTénacité (K1C)
MPa M
Fatigue
K seuilMPam
K à 10-4 mm/cycle
MPam
T 40 60-70
IMI 68560-70
TA6V4équiaxe 40-60 10 15-20
TA6V4 lamellaire 70-90 10 >20
-Cez équiaxe 35-50 5 10
-Cez lamellaire 70-90 5 15-20
-Cez lamellaire tsc 70-100 5 15-20
Résistance à la propagation de fissure
Y. Combres Technique de l’ingénieur
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
41
Propriétés à température ambiante
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
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 fluageTi 6242 (Ti 6%Al 2%Sn 4Zr 2%Mo) avec ajout de silicium
Comportement en fluage
43
Résistance spécifique des alliages de titane Fluage 0,2% 300hY. Honnorat et D. Girault Matériaux et Techniques 1988 p 89
M. Katcher Metals Engineering Quaterly ASM 1958
Fluage
44
Y. Combres technique de l’ingénieur
Comportement aux températures cryogéniquesInfluence de la température sur Re0.2 et Rm
45
350
300
250
200
150
100
Contrainte en serviceDensité
0 100 300 (RT) 500 700 900 1100 1300 1500
(MPa)
Composites Résine Epoxy d = 1,8fibre de carbone
Composites Résine Polyimide d = 1,8fibre de carbone
Aciers martensitiques d = 7,8
Alliages FeNiCr d = 7,8forgés
Alliages de Titane d = 4,5
Superalliages de Nickel d = 8,2Forgés
Superalliages de Nickel d = 8MdP filé + forgé isoth.
Superalliages de Nickel ou Cobalt d = 8 9Coulé Equiaxe
Superalliages de Nickel d = 8,4Coulé monocristaux
Composites céramiques d = 2,3(Cerasep)
TA6VELITA5EELI
R 1914FT800
Base Alu
Maraging
40CDV12
17 4 PH
718
Base Nickel625 Hasteloy X
SiC-SiC
Température en service (K)
BT25Y
Ti17
TA6V
6242
685
834
Waspaloy
Hastelloy
Astroloy
N18
René 95
R77IN100 MARM509
AM1
350
300
250
200
150
100
Contrainte en serviceDensité
0 100 300 (RT) 500 700 900 1100 1300 1500
(MPa)
Composites Résine Epoxy d = 1,8fibre de carbone
Composites Résine Polyimide d = 1,8fibre de carbone
Aciers martensitiques d = 7,8
Alliages FeNiCr d = 7,8forgés
Alliages de Titane d = 4,5
Superalliages de Nickel d = 8,2Forgés
Superalliages de Nickel d = 8MdP filé + forgé isoth.
Superalliages de Nickel ou Cobalt d = 8 9Coulé Equiaxe
Superalliages de Nickel d = 8,4Coulé monocristaux
Composites céramiques d = 2,3(Cerasep)
TA6VELITA5EELI
R 1914FT800
Base Alu
Maraging
40CDV12
17 4 PH
718
Base Nickel625 Hasteloy X
SiC-SiC
Température en service (K)
BT25Y
Ti17
TA6V
6242
685
834
Waspaloy
Hastelloy
Astroloy
N18
René 95
R77IN100 MARM509
AM1
JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes
46
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Maraging 6061 7475 A286 304 INCO718 TA5E ELI TA6V ELI TA6V pq
Re0.2/d 20K
Re0.2/d 300K
COMPARAISON DES LIMITES ELASTIQUES SPECIFIQUES
A L'AMBIANTE ET A 20 KELVIN
MPa/g/cm3
JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes
47
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 quiaméliorent 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 l’addition d’éléments -gènes.
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
48
À l’eau de mer :À une solution bouillante à
90% d’HNO3
Résistance à la corrosion (T40)
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
http://www.associationtitane.fr
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
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 m
Ceci jusqu’aux températures > 550 voire 600°Caux T >, diffusion de l’oxygène et l’azote
éléments qui modifient les microstructures et les propriétés
Oxydation
51
Bonnes propriétés de biocompatibilité
3.3 Propriétés induites par la surface (biocompabilité)
Biomatériaux
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 200 100 1.8
Ta cp 200 200 1.3
Al2O3 0/4002 380 0/1.05
ZRO2 0/4502 170 0/2.6
PMMA 30 25 1.2
UHMWPE 16 1.2 13.3
Cp commercialement pur1 en flexion 2 en compression
Thèse G. Teixier 2005 Insa Rennes
Biocompatibilité des surfacesTi matériau bio inertelimiter la présence de V, Ni
Biocompatibilité structurale :
Faible module d’Young, notamment pour les alliages ou -métastable
Bonne résistance mécanique
Bonne résistance mécanique spécifique
Bonne résistance à la fatigue
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 diffusionSuperplasticité combinée au soudage diffusion
réservoir d’avion
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
4. Assemblage
Assemblage par fusion : soudage à l’arc TIGsoudage plasmasoudage par faisceau laser CO2soudage par faisceau d’électron (FE)
Assemblage par friction : friction inertiellefriction pilotéemalaxage (steer welding)
Les alliages de titane présentent une grande affinité pour l’oxygène qui fragilise les structures soudées. Protection.
55
Bonne aptitude de ces alliages au soudage diffusion
Combinaison de déformation superplastique et de soudage diffusion
4. Assemblage Soudage - Diffusion
56
Conclusions
Large domaine d’application du titane CP
Pour les alliages quasi et métastableapplications 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
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 0,015
Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau de mer, marine, échangeurs plats
99,2 2 0,08 0,25 0,03 0,20 0,015
Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur.
99,1 3 0,08 0,25 0,05 0,30 0,015
Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion
99,0 4Ti60
0,08 0,25 0,05 0,40 0,015
Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs d’avions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs
Timet data sheets http://www.timet.com
Exemple d’applications
Titane commercialement pur (Ti CP)
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-Cez Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe T 890°C
Ti 17 Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr T 880°CAlliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à l’oxydation
10-2-3 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al T 800°CBon 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 T 800°C Alliagerésistant à l’oxydation et à la corrosion (plaques). Tôles pour nez de déflecteurs de sortie de tuyères de moteurs, structures …
…..
Ex d’alliages riches et métastables
Exemple d’applications
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Ti, 5%Al, 2,5% Sn : TA5E (Température de transus T 1030°C)
Bonnes propriétés mécaniques Re0,2 806 MPa, Rm 861 MPa A 16%Bonne tenue oxydationSoudable
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)
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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) ...
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Types d’alliages ex.
-Cez Ti-5Al-2Sn-4Mo-4Zr-2Cr-1Fe T 890°C
Ti 17 Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr T 880°CAlliage « avancé » pour application moteur résistant au fluage et à l’oxydation
10-2-3 Ti, 10% V, 2% Fe, 3% Al T 800°CBon 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 T 800°C Alliagerésistant à l’oxydation 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
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Autres
Alliages déformables à froid : produits plats
Ti-15-3-3 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 6.22.22 : Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-2Cr-0.25Si Alliage pour structure cellulesSP 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 forgéTi-12Mo-6Zr-2Fe forgé
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4. Assemblage
Procédés de soudage par
fusionTIG 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)Non fusible (W)
Atmosphère Inerte (Ar)Inerte (Ar) Mélange
Gazeux (CO2-He-N2)
Vide (10-2 Pa)
SoudureAvec ou sans
métal d’apportAvec ou sans
métal d’apportAvec ou sans
métal d’apportSans métal
d’apport
Caractéristique de la soudure
largeMoins large que
TIGZF fines
ZAT étroitesZF fines
ZAT étroites
Epaisseur de soudage
< 3mm <8mm ImportanteImportante <50 mm
RetraitImportant (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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3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Absorption d’hydrogèneRéduction de l’eau conduit à l’absorption d’hydrogène
Précipitations d’hydrures fragilisants
Plus il y a de phase plus il y a absorption d’hydrogène
Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al
Y. Combres Technique de l’ingénieur
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Éléments en insertion
H, gène
Pas d’influence sur les propriétésFormation d’hydrures baisse de ductilité
Présence de la phase piège l’H et empêche la formation d’ hydruresT40 alpha solubilité limite 19ppmTA6V4 alpha bêta 800 à 1000 ppm
O, N et C gènes
Durcissent la phase Diminue la ductilité
Influence des éléments d’alliages
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Eléments en substitution
Al gène
Durcit alpha, améliore le fluage et le compromis résistance ductilité aux températures cryogéniques
Durcit la phase Module d’Young augmenteAmélioration de la résistance et diminution de la ductilité c/a augmente, la plasticité diminueAmélioration de la tenue en fluageAl<7% pour limiter la formation de Ti3Al fragilisanteRéduit la fragilisation à l’hydrogène
Sn, neutre
Durcit alpha et bêta, améliore le compromis résistance ductilité de tout alliage alpha bêta
Zr, neutre
Influence des éléments d’alliages
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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
Mo, gène
Améliore la ductilité mais baisse la tenue à l’oxydation. 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 d’alliages
Eléments en substitution
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Les alliages riches et métastablesTTT 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 93-101.
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Les alliages riches et métastables
0,25mm
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Exemple de gamme de traitements de l’alliage Ti 17
%α67%0%
temps
Taux de phase α d’équilibre
Tβ
FORGEAGE MISE EN SOLUTION
REVENUT T
Les alliages riches et métastables
0,25mm0,25mm
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Evolution de la dureté en fonction du temps de vieillissement
Y. Combres Technique de l’ingénieur
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Exemples de séquences de traitements thermomécaniques proposées pour le Ti 17
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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
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Phases en présence au cours des traitements
Phase etPhase
Phase métastable (m) : phase retenue à l’ambiante 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 l’ambiante stabilisée et impossible à transformer par traitement thermique.
2.3 Microstructures des alliages de titaneTransformations structurales
Cas des alliages métastable :
Phase prime (’) : phase hexagonale comme α, mais ayant la même composition chimique que le d’origine ; 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 d’un traitement thermique ( isotherme).
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On pourra aussi distinguer
Phase transformée (t) : décomposition de par refroidissement lent en structure lamellaire .
Phase primaire (I) : phase présente à l’équilibre 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 titaneTransformation structurales
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Propriétés à température ambiante
3.2 Propriétés mécaniques spécifiques
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519/ 03/ 2001R éférence
LES ALLIAGES DE TITANE - LES DOMAINES
100 200 300 400 500 600 700 800 900
Température
(K)
0 100 200 300 400 500 600 (°C)
TA6V ELIcryo.
TA5E ELIcryo
10.2.3 VT22.1
TA6V
Ti17
6.2.4.2. +
6.2.4.6. TA8DV
IMI834
BT 25Y etIMI 685
6.2.4.2.
Niveau de chargementDMF (DGPL-DGPP - DPES)
MESSIER DOWTYHISPANO SUIZA
TECHSPACE AERO
MESSIER BUGATTI
DMA - SNECMA SERVICES
TURBOMECA
Comparaison des différents alliages de Titane
DASSAULTEADS
JM De Monicault et al Journées de l’Association Titane – 11&12 mai 2005 – CCI Nantes
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2.3 Microstructures des alliages de titane à température ambiante alliages constitués de phase
Ti17 métastable
Ti17 métastable
Ti 64
Ti 64 MO MEB
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35% d’utilisation des alliages de titane
Pour améliorer la résistance à la corrosion ajout de Pd
%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 0,015
Structures aéronautiques, industries chimiques, tubes d’échangeurs pour la désalinisation d’eau de mer, marine, échangeurs plats
99,2 2 0,08 0,25 0,03 0,20 0,015
Éléments de structures aéronautique, moteurs avions, domaine maritime, Chimie, échangeurs de chaleurs, tubes pour condenseur, évaporateur.
99,1 3 0,08 0,25 0,05 0,30 0,015
Domaine industrie chimique, structure aéronautique, résistance à la corrosion
99,0 4Ti60
0,08 0,25 0,05 0,40 0,015
Domaine chimique, marine, structure aéronautique, moteurs d’avions, implants chirurgicaux, aubes à grande vitesse, compresseurs
Timet data sheets http://www.timet.com
3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
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Techniques conventionnelles
Préparation de l’électrode
Préparation de lots à partir des matières premières (éponges, éléments d’alliage, chutes, copeaux …)CompactageEmpilements des compacts, et solidarisation par soudage plasma ou faisceau d’e- sous vide
Yves Combres Techniques de l’Ingénieur
Cycle de préparation des matièresdestinées à être refondues
1. Généralités – Élaboration secondaire
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3.3 Propriétés induites par la surface (oxydation, corrosion)
Absorption d’hydrogèneRéduction de l’eau conduit à l’absorption d’hydrogène
Précipitations d’hydrures fragilisants
Plus il y a de phase plus il y a absorption d’hydrogène
Ti15%V3%Cr3%Sn3%Al
Y. Combres Technique de l’ingénieur