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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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Métallurgie extractive et matières premières1. Éléments de métallurgie physique
Le titane a été découvert relativement récemment. En effet, ce n’est qu’en 1790 que le Révérend William Gregor trouva l’oxyde d’un élément inconnu dans les sables noirs de la Côte de Cornouailles présentant des propriétés magnétiques ; il n’identifia pas le métal. Ce fut le chimiste allemand Klaproth qui le fit et qui le nomma « titane », en 1795, par référence aux « Titans », forgerons des Enfers de la mythologie grecque. On trouve ses minerais aux Canada, États-Unis, Brésil, Norvège, Afrique du Sud, Inde, Chine, Australie, CEI...
Le titane ultrapur possède une structure hexagonale pseudo-compacte dite phase α jusqu’à 882 oC. Au-dessus de cette température appelée transus β, la structure cristallographique devient cubique centrée et est nommée phase β. Au-delà de 1 660 oC, la phase β se transforme en une phase liquide qui rentre en ébullition à partir de 3 287 oC. La figure 2 présente l’effet des éléments d’addition :
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certains augmentent le domaine de stabilité de la phase α : ils sont alors appelés alphagènes ;
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d’autres accroissent celui de la phase β, allant même jusqu’à stabiliser cette dernière complètement à la température ambiante : ce sont les éléments bêtagènes ;
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les derniers enfin sont indifférents de ce point de vue : on les appelle les éléments neutres.
De façon classique, les éléments de faible rayon atomique se placent en insertion dans le réseau cristallographique (O, N, B, C et H) ; les autres se substituent aux atomes de titane (Al, Mo, V, Nb, Ta, Mn, Fe, Cr, Co, Zn, Sn, ...).
On peut dire que les effets des éléments d’alliage sur la stabilité respective des phases α et β sont, en première approximation, additifs. Les alliages obtenus sont affiliés aux classes suivantes selon la nature des phases présentes à la température ambiante à l’état d’utilisation :
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: constitués de 100 % de phase α ; -
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Éléments de métallurgie physique
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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