Connaissance de base du titane

Le titane est un métal structurel important développé dans les années 1950. Les alliages de titane sont largement utilisés dans divers domaines en raison de leur haute résistance spécifique, de leur bonne résistance à la corrosion et de leur haute résistance à la chaleur. De nombreux pays dans le monde ont reconnu l'importance des matériaux en alliage de titane, les ont successivement étudiés et développés, et ont obtenu une application pratique. Le titane est le quatrième élément B du tableau périodique. Il ressemble à de l'acier et a un point de fusion de 1 672 C. C'est un métal réfractaire. Le titane est abondant dans la cro?te, bien plus élevé que les métaux communs tels que Cu, Zn, Sn et Pb. Les ressources en titane en Chine sont extrêmement abondantes. Ce n'est que dans la très grande magnétite de vanadium-titane découverte dans la région de Panzhihua, dans la province du Sichuan, que les réserves de titane associées s'élèvent à environ 420 millions de tonnes, ce qui est proche du total des réserves prouvées de titane à l'étranger. Les alliages de titane peuvent être divisés en alliages résistants à la chaleur, alliages à haute résistance, alliages résistants à la corrosion (alliages Ti-Mo, Ti-Pd, etc.), alliages à basse température et alliages fonctionnels spéciaux (matériaux de stockage d'hydrogène Ti-Fe et mémoire Ti-Ni alliages).

éléments en alliage de titane

Les alliages de titane sont des alliages à base de titane et ajoutés à d'autres éléments. Le titane a deux types de cristaux hétérogènes homogènes: le titane alpha avec une structure hexagonale dense en dessous de 882 C et le titane bêta avec une structure cubique centrée sur le corps au-dessus de 882 C.Les éléments d'alliage peuvent être divisés en trois catégories en fonction de leur influence sur la température de transformation de phase: 1. Les éléments qui stabilisent la phase alpha et augmentent la température de transformation de phase sont des éléments stables alpha, notamment l'aluminium, le carbone, l'oxygène et l'azote. Parmi eux, l'aluminium est le principal élément d'alliage de l'alliage de titane. Il a un effet évident sur l'amélioration de la résistance à température ambiante et à haute température, la réduction de la gravité spécifique et l'augmentation du module élastique de l'alliage. (2) La phase bêta stable et la température de transition de phase décroissante sont des éléments stables bêta, qui peuvent être divisés en deux types: isomorphes et eutecto?des. Le premier comprend le molybdène, le niobium et le vanadium, tandis que le second comprend le chrome, le manganèse, le cuivre, le fer et le silicium. (3) Les éléments neutres, tels que le zirconium et l'étain, ont peu d'effet sur la température de transition de phase.

L'oxygène, l'azote, le carbone et l'hydrogène sont les principales impuretés des alliages de titane. L'oxygène et l'azote ont une solubilité plus élevée dans la phase alpha, ce qui a un effet de renforcement significatif sur l'alliage de titane, mais réduit sa plasticité. Les teneurs en oxygène et en azote dans le titane sont généralement stipulées respectivement inférieures à 0,15-0,2% et 0,04-0,05%. La solubilité de l'hydrogène dans la phase alpha est très faible. L'hydrogène en excès dissous dans l'alliage de titane produira de l'hydrure, ce qui rend l'alliage cassant. Habituellement, la teneur en hydrogène dans les alliages de titane est contr?lée en dessous de 0,015%. La dissolution de l'hydrogène dans le titane est réversible.

classification

Le titane est un isomère avec un point de fusion de 1720 (?) C et une structure de réseau hexagonale dense à des températures inférieures à 882 (?), Qui est appelée alpha titane, et une structure de réseau cubique centrée sur le corps à des températures supérieures à 882 (?) C , qui est appelé bêta-titane. Des alliages de titane avec différentes microstructures peuvent être obtenus en ajoutant des éléments d'alliage appropriés pour changer progressivement la température de transformation de phase et la teneur en phase. Les alliages de titane ont trois types de structures matricielles à température ambiante. Les alliages de titane peuvent également être divisés en trois catégories: les alliages alpha, les alliages (alpha + bêta) et les alliages bêta. La Chine est représentée respectivement par TA, TC et TB.

Alliage de titane alpha

Il s'agit d'un alliage monophasé constitué d'une solution solide en phase alpha. Il est en phase alpha à la température générale et à une température d'application pratique plus élevée. Il a une structure stable, une résistance à l'usure plus élevée et une forte résistance à l'oxydation que le titane pur. Sa résistance et sa résistance au fluage sont maintenues à des températures de 500 600 C, mais il ne peut pas être renforcé par un traitement thermique, et sa résistance à température ambiante n'est pas élevée.

Alliage de titane bêta

Il s'agit d'un alliage monophasé composé d'une solution solide en phase bêta. Il a une haute résistance sans traitement thermique. Après trempe et vieillissement, l'alliage est encore renforcé et sa résistance à la température ambiante peut atteindre 1372-1666 MPa. Cependant, sa stabilité thermique est médiocre et il ne convient pas pour une utilisation à haute température.

Alliage de titane alpha + bêta

C'est un alliage biphasé avec de bonnes propriétés complètes, une bonne stabilité structurelle, une bonne ténacité, une plasticité et des propriétés de déformation à haute température. Il peut être traité sous pression chaude et renforcé par trempe et vieillissement. Après traitement thermique, la résistance augmente de 50%-100% par rapport à l'état de recuit, et la résistance à haute température peut fonctionner pendant longtemps à la température de 400500 et sa stabilité thermique est inférieure à celle de l'alliage alpha-titane.

Parmi les trois types d'alliages de titane, l'alliage alpha-titane et l'alliage alpha + bêta-titane sont les plus couramment utilisés; L'alliage alpha-titane a la meilleure usinabilité, suivi de l'alliage alpha + bêta-titane et de l'alliage bêta-titane. Alliage de titane alpha code TA, alliage de titane bêta code TB, alliage alpha + bêta de titane code TC.

Application d'alliage de titane

Les alliages de titane peuvent être divisés en alliages résistants à la chaleur, alliages à haute résistance, alliages résistants à la corrosion (alliages Ti-Mo, Ti-Pd, etc.), alliages à basse température et alliages fonctionnels spéciaux (matériaux de stockage d'hydrogène Ti-Fe et mémoire Ti-Ni alliages). La composition et les propriétés des alliages typiques sont présentées dans le tableau.

Différentes compositions et structures de phases peuvent être obtenues en ajustant le processus de traitement thermique. On pense généralement qu'une structure équiaxe fine a une meilleure plasticité, stabilité thermique et résistance à la fatigue; la structure aciculaire a une résistance à l'endurance, une résistance au fluage et une ténacité à la rupture plus élevées; la structure mixte équiaxe et aciculaire a de meilleures propriétés complètes.

Les alliages de titane ont une résistance élevée, une faible densité, de bonnes propriétés mécaniques, une bonne ténacité et une résistance à la corrosion. De plus, l'alliage de titane a de mauvaises performances technologiques et une coupe difficile. Il est facile d'absorber les impuretés telles que l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le carbone lors du travail à chaud. Il existe également une mauvaise résistance à l'usure et un processus de production complexe. La production industrialisée de titane a commencé en 1948. Avec le développement de l'industrie aéronautique, l'industrie du titane cro?t à un rythme moyen de 8% par an. à l'heure actuelle, la production annuelle de matériaux de traitement d'alliages de titane dans le monde a atteint plus de 40 000 tonnes, et il existe près de 30 types de nuances d'alliages de titane. Les alliages de titane les plus largement utilisés sont le Ti-6Al-4V (TC4), le Ti-5Al-2.5Sn (TA7) et le titane pur industriel (TA1, TA 2 et TA3).

L'alliage de titane est principalement utilisé pour fabriquer des pièces de compresseur de moteur d'avion, suivi des fusées, des missiles et des avions à grande vitesse. Au milieu des années 1960, le titane et ses alliages ont été utilisés dans l'industrie générale pour fabriquer des électrodes dans l'industrie d'électrolyse, des condenseurs dans les centrales électriques, des réchauffeurs pour le raffinage du pétrole et le dessalement de l'eau de mer et des dispositifs de contr?le de la pollution de l'environnement. Le titane et ses alliages sont devenus une sorte de matériau structurel résistant à la corrosion. En outre, il est également utilisé pour produire des matériaux de stockage d'hydrogène et des alliages à mémoire de forme.

Le titane et les alliages de titane ont été étudiés en 1956 en Chine, et la production industrialisée de matériaux en titane et d'alliages TB2 a été développée au milieu des années 1960.

L'alliage de titane est un nouveau matériau structurel important utilisé dans l'industrie aérospatiale. Sa gravité spécifique, sa résistance et sa température de service se situent entre l'aluminium et l'acier, mais il a une résistance spécifique élevée et une excellente résistance à la corrosion par l'eau de mer et des performances à très basse température. En 1950, les états-Unis ont utilisé pour la première fois le chasseur bombardier F-84 comme composants non porteurs tels que la plaque d'isolation thermique du fuselage arrière, le capot de guidage d'air et le capot arrière. Depuis les années 1960, l'utilisation d'alliages de titane s'est déplacée du fuselage arrière vers le fuselage central, rempla?ant partiellement l'acier de construction pour fabriquer d'importants composants porteurs tels que les cloisons, les poutres, les volets et les glissières. La quantité d'alliage de titane utilisée dans les avions militaires augmente rapidement, atteignant 20%-25% du poids de la structure de l'avion. Les alliages de titane sont largement utilisés dans les avions civils depuis les années 1970. Par exemple, la quantité de titane utilisée dans les avions de passagers Boeing 747 est supérieure à 3640 kg. Le titane pour les avions avec un nombre de Mach inférieur à 2,5 est principalement utilisé pour remplacer l'acier afin de réduire le poids structurel. Par exemple, l'avion de reconnaissance à haute vitesse et à haute altitude SR-71 des états-Unis (nombre de Mach de vol de 3, altitude de vol de 26 212 mètres), le titane représentait 93% du poids structurel de l'avion, connu sous le nom d'avion "tout en titane". Lorsque le rapport poussée-poids du moteur d'avion augmente de 4 à 6 à 8 à 10 et que la température de sortie du compresseur augmente de 200 à 300 degrés C à 500 à 600 degrés C, le disque et la lame du compresseur basse pression d'origine en l'aluminium doit être remplacé par un alliage de titane, ou le disque et la pale du compresseur haute pression en alliage de titane au lieu d'acier inoxydable, afin de réduire le poids structurel. Dans les années 1970, la quantité d'alliage de titane utilisée dans les moteurs aéronautiques représentait généralement 20%-30% du poids total de la structure. Il était principalement utilisé pour fabriquer des composants de compresseur, tels que des ventilateurs en titane forgé, des disques et des aubes de compresseur, un carter de compresseur en titane coulé, un carter intermédiaire, un bo?tier de roulement, etc. Le vaisseau spatial utilise principalement la résistance spécifique élevée, la résistance à la corrosion et la résistance aux basses températures de l'alliage de titane. pour fabriquer divers récipients sous pression, réservoirs de carburant, attaches, sangles d'instruments, cadres et obus de fusée. Les soudures de plaques en alliage de titane sont également utilisées dans les satellites terrestres artificiels, les modules lunaires, les engins spatiaux habités et les navettes spatiales.