Présentation
RÉSUMÉ
Le titane et ses alliages ont connu un essor récent, mais fulgurant, au cours de ces dernières années, et ce, dans quasi tous les secteurs d’activité. L’article vise à donner quelques éléments de métallurgie du titane, puis s’attache aux étapes de fabrication des demi-produits en passant en revue la métallurgie extractive, permettant de passer du minerai au métal de base, l’élaboration des alliages et la première transformation des lingots. A l’instar de la métallurgie des aciers, le recyclage a une place tout à fait remarquable dans l’élaboration des alliages et fait l’objet d’une partie dédiée.
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Yves COMBRES : Docteur en sciences et génie des matériaux - Ingénieur de recherches à CEZUS
INTRODUCTION
Le titane a pour symbole Ti dans la classification périodique des éléments ; sa masse atomique est de 47,5 et son numéro atomique 22. C’est un corps très répandu sur la terre, quatrième métal suivant l’ordre décroissant d’abondance dans l’écorce terrestre, il constitue 0,44 % de la masse de celle-ci, à comparer à 8 % pour l’aluminium, 5 % pour le fer et 2 % pour le magnésium.
L’obtention du métal à partir du minerai a nécessité une longue mise au point. En effet, il s’avère que sa métallurgie extractive est très délicate. On n’a pu obtenir du métal ductile, et donc propre à la fabrication de pièces, qu’à partir de 1910. Cela explique les développements tardifs de ses applications industrielles qui n’ont débuté que vers 1950.
De nos jours, la consommation du minerai est essentiellement réalisée par l’activité des pigments et des charges (90 à 95 % du minerai extrait) qui concerne l’industrie de la peinture, celles des matières plastiques, celle du papier et celle des céramiques. 5 à 10 % du minerai trouve des applications dans le domaine de la métallurgie, sous forme de ferrotitane pour les additions des aciers, ou pour élaborer des alliages de titane. De façon sommaire, on peut dire que ces derniers présentent des caractéristiques mécaniques élevées (compromis résistance mécanique-ductilité compris entre 400 MPa-50 % pour les titanes non alliés et 1 500 à 2 000 MPa-5 à 15 % pour les formulations les plus chargées en éléments d’addition) pour une masse volumique faible (4,54 g/cm3).
Du point de vue des propriétés spécifiques (propriété divisée par la masse volumique), les alliages de titane se placent donc avant les alliages d’aluminium et les aciers ; néanmoins, le prix de revient des pièces est élevé. Cela permet de comprendre leur développement important plutôt dans les domaines aéronautique, spatial et de l’armement. Le titane non allié possède une excellente tenue à la corrosion et une très grande souplesse de mise en forme : cela explique aussi des applications importantes dans le domaine de l’industrie chimique, des usines de dessalement d’eau de mer, des centrales nucléaires, exploitation pétrolière off-shore et du génie civil (plaques d’ornement, protection de piles de pont...).
Les objectifs de cet article sont de présenter quelques éléments de métallurgie du titane, puis de s’attacher aux étapes de fabrication des demi-produits en passant en revue : métallurgie extractive, élaboration et première transformation.
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- Version courante de mars 2016 par Yves COMBRES
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Première transformation3. Élaboration
3.1 Techniques conventionnelles
3.1.1 Préparation de l’électrode
Le cycle de préparation des matières destinées à être refondues sous forme d’électrode est illustré figure 10. À partir des matières premières constituées d’éponge, d’éléments d’alliage et de petites chutes recyclées (typiquement des copeaux : § 2.4.2), est réalisé tout d’abord, par pesée, un lot destiné à obtenir la composition chimique désirée. Ce lot est ensuite homogénéisé dans un mélangeur soit sous gaz neutre, soit sous aspiration violente, de manière à prévenir toute inflammation des fines de titane (particules d’une centaine de micromètres) pouvant conduire à la formation d’oxynitrure de titane fragilisant et insoluble dans le bain liquide. Le lot homogène est ensuite introduit dans la matrice d’une presse où il est comprimé à froid sous forme d’un compact dense à plus de 95 %. Ce taux élevé de densité relative autorise alors toute manutention en vue de constituer une électrode par empilement de ces compacts, étage par étage. Ces étages sont ensuite solidarisés entre eux par soudage plasma ou faisceau d’électrons ; l’usage de plasma impose l’utilisation de gaz neutre à teneur en oxygène contrôlée et la technique faisceau d’électrons celle du vide. Chacune des techniques a ses avantages et ses inconvénients sans qu’il soit possible d’en privilégier une par rapport à l’autre :
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une installation de soudage plasma a un coût initial plus faible, son emploi est aisé,...
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ANNEXES
1 Données économiques Environnement
En France, bien qu’il existe une petite capacité de production d’éponge de titane à la société CEZUS, cette dernière n’est pas mise en œuvre à cause de la surcapacité existante (tableau 4, [M 2 355]) et des prix qui restent très bas (ordre de grandeur 40 à 50 F/kg). Seul CEZUS refond des lingots et les transforme en barres, brames et fils, Creusot Loire Industries réalisant des plaques et des tôles....
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