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RÉSUMÉ
Les principes de base de la métallurgie des alliages de titane sont présentés, avec les différentes classes d'alliages et les évolutions statiques des diverses phases en présence. Positionnant les traitements thermiques dans la mise en oeuvre des produits, cet article couvre les aspects fondamentaux qui gèrent les traitements d'adoucissement et de durcissement. Les moyens de favoriser plus spécifiquement une propriété particulière sont mis en évidence et les pratiques industrielles sont présentées.
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The basic principles of the metallurgy of titanium alloys are presented with the different classes of alloys and the static evolutions of the various phases. This article presents heat treatments in the implementation of products and covers the fundamental aspects which rule softening and hardening treatments. The means in which to, more specifically, favor a particular property is highlighted and industrial practices presented.
Auteur(s)
-
Yves COMBRES : Ingénieur Civil des Mines, Docteur en Science et Génie des Matériaux - Ingénieur de Recherches à CEZUS
-
Bernard CHAMPIN : Ingénieur Civil des Mines, Docteur ès Sciences - Directeur Recherches et Développement à CEZUS
INTRODUCTION
L’élément titane, Ti dans la classification périodique des éléments, a été découvert en 1790. Cependant, la difficulté de sa métallurgie extractive n’a permis un démarrage industriel que dans les années 50. Le titane et ses alliages présentent des caractéristiques attrayantes (densité faible, bonne tenue à la corrosion, caractéristiques mécaniques élevées, transformation par les procédés conventionnels, amagnétisme...).
Le titane et ses alliages sont principalement utilisés dans les industries chimiques et aéronautiques. Ils ont aussi d’importantes applications dans le secteur médical à cause de la biocompatibilité et des modules d’Young pouvant être assez bas (70 GPa) et assez proches de celui des tissus osseux. Dans les étapes de mise en œuvre du titane et de ses alliages les traitements thermiques tiennent une place tout à fait prépondérante.
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MOTS-CLÉS
métallurgie aéronautique médical automobile chimie micrographie essais mécaniques traitement thermique
KEYWORDS
metallurgy | aeronautics | medicals | automotive | chemicals | micrography | mechanical tests | heat treatment
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1983 par Bernard CHAMPIN, Bernard DE GÉLAS
- Version courante de mars 2013 par Yves COMBRES
DOI (Digital Object Identifier)
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Traitements de durcissement3. Bases des traitements thermiques
Avant d’entrer dans le détail des traitements thermiques des alliages de titane, il apparaît nécessaire de revenir sur deux principes fondamentaux, particulièrement importants par le fait qu’ils bousculent les idées qui pourraient être héritées, a priori, de la métallurgie des aciers.
On tentera ensuite de justifier ces principes par des considérations cristallographiques et thermodynamiques, tant au niveau des équilibres que des cinétiques. Enfin, on en tirera les conséquences pour l’état actuel (les microstructures observées) et pour le futur (autres procédés de durcissement).
3.1 Effet d’un traitement thermique sur la microstructure
Lors d’un traitement au-dessus de Tβ, les grains de phase β grossissent quand la durée augmente (figure ), et ce d’autant plus que la température est élevée. Au cours d’un recuit de recristallisation, la phase α, surtout si ses grains sont déformés et allongés, peut se transformer de façon statique et engendrer de nouveaux petits grains. Les figures et montrent l’effet d’un traitement thermique sur une microstructure d’alliage TA6V déformée à chaud.
HAUT DE PAGE3.2 Les deux principes des traitements thermiques des alliages de titane
Ils sont liés aux caractéristiques de la transformation allotropique de ces alliages :
-
on ne leur connaît pas de germination par mécanisme homogène avec diffusion : il n’y a donc pas de possibilité de régénération ou de normalisation par changement de phase : cette particularité est à l’origine de la grande hérédité structurale du titane et de ses alliages ;
-
leurs états hors d’équilibre obtenus par trempe ne sont pas (ou peu) durcis : il a donc fallu rechercher d’autres mécanismes de durcissement, moins habituels.
On a ainsi mis en lumière deux différences primordiales entre les métallurgies des aciers et du titane.
Ces différences, que l’on va relier à la structure hexagonale du titane, vont imposer aux métallurgistes un effort supplémentaire pour éviter d’extrapoler trop hardiment...
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