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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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Applications4. Première transformation
Dans la figure 20, les principes de première transformation sont illustrés de façon schématique. Pour briser la structure de solidification du lingot, on effectue plusieurs opérations de forgeage sous une presse, par une succession de refoulements et d’étirages. Cela se réalise toujours à chaud, d’abord dans le domaine monophasé β, où l’on tire avantage :
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d’un matériau monophasé cubique, donc très ductile par rapport à la structure hexagonale, ce qui permet de minimiser la fragilité de la structure de solidification ;
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d’une contrainte d’écoulement faible, qui autorise le corroyage de produits de section importante.
La finition s’opère classiquement toujours en dessous du transus β, des alliages α jusqu’aux alliages β riches. Ainsi, la microstructure de grain α peut être contrôlée en ajustant la quantité et l’efficacité de ce corroyage (au moins égal à 3).
Comme pour les opérations de fusion VAR, on ne peut pas dire que des améliorations spectaculaires aient été apportées au cours de ces dernières années, si ce n’est une automatisation importante des presses qui assure diminution des coûts de revient et meilleure reproductibilité des gammes. Il est important de noter le développement de la simulation numérique comme aide à la conception des séquences de transformation. Des logiciels d’analyse thermique simple (différences finies alternées) qui résolvent l’équation de la chaleur d’une section droite moyenne du produit et qui tiennent compte d’une puissance mécanique dissipée par la déformation plastique, peuvent être couplés à des logiciels plus complexes, utilisant une formulation aux éléments finis comme FORGE2® ou FORGE3® (société Transvalor) qui, en chaque nœud d’un maillage représentant le volume à déformer, déterminent la température, et l’état de déformation et de contrainte. La figure 21 illustre cette interdépendance entre la simulation numérique de l’étirage d’une barre en alliage TA6V (figure 21a ) et sa réalisation sur presse industrielle (figure 21b ).
Cela peut être bien sûr étendu aux procédés de deuxième...
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Première transformation
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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