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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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Yves COMBRES : Ingénieur Civil des Mines, Docteur en Science & Génie des Matériaux - Directeur des Partenariats Chine 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…).
Principalement utilisés dans les industries chimiques et aéronautiques, le titane et ses alliages ont aussi d’importantes applications dans le secteur médical de par leur 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.
Après avoir posé les principes de base de la métallurgie des alliages de titane, et notamment les différentes classes d’alliages, il est nécessaire de caractériser les évolutions statiques des diverses phases pendant ces traitements. Cela permet d’introduire les notions d’adoucissement et de durcissement, et donc de tenter de favoriser plus spécifiquement une propriété mécanique. Enfin, les aspects pratiques de la réalisation industrielle se doivent d’être présentées.
Le lecteur se reportera utilement aux articles [M 4 780][M 3 160].
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MOTS-CLÉS
métallurgie aéronautique médical automobile chimie micrographie essais mécaniques traitement thermique
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1983 par Bernard CHAMPIN, Bernard DE GÉLAS
- Version archivée 2 de avr. 1995 par Yves COMBRES, Bernard CHAMPIN
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Traitements de durcissement
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3. Bases des traitements thermiques des alliages de titane
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 a priori héritées de la métallurgie des aciers.
Nous tenterons ensuite de justifier ces principes par des considérations cristallographiques et thermodynamiques, tant au niveau des équilibres que des cinétiques. Enfin, les conséquences pour l'état actuel (les microstructures observées) et pour le futur (autres procédés de durcissement) seront présentées.
3.1 Effet d'un traitement thermique sur la microstructure
Une déformation simple à haute température ne peut pas toujours assurer une structure d'équilibre totalement transformée. Néanmoins, durant le traitement thermique ultérieur, l'énergie mécanique stockée pendant la déformation dans le matériau permet un recouvrement et une transformation plus ou moins complète de la structure. De nouveaux grains apparaissent : c'est donc un phénomène de recristallisation. Lorsqu'avant le traitement thermique, le matériau présente une texture morphologique, la recristallisation tend à produire de nouveaux grains équiaxes.
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Tout d'abord, suivant la quantité de déformation locale, les lamelles de phase α accumulent une quantité non négligeable de dislocations. Les mécanismes de restauration dynamique conduisant à un adoucissement plus rapide que ceux de recristallisation dynamique, il y a d'abord création de sous-grains faiblement désorientés. La création de ces sous-joints à faible désorientation permet à la phase β de pénétrer ces zones aux intersections α/α, c'est-à-dire aux sous-joints, puis de fragmenter ces lamelles ; c'est un phénomène auto diffusif. Il peut être accéléré dans le cas d'éléments d'addition diffusant très rapidement comme le fer par exemple (cas du β-CEZ). Si la largeur de la lamelle est faible, c'est-à-dire moins de deux fois la profondeur de pénétration de la phase β, ce processus est facilité (figure 13). Cela explique pourquoi...
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Bases des traitements thermiques des alliages de titane
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CHAUDRON (G.) - Monographies sur les métaux de haute pureté - Tome II Masson (1977).
-
(2) - Military handbook titanium and titanium alloys - MIL-DBK-697 A (1974).
-
(3) - SERAPHIN (L.) - Réponse des alliages de titane aux traitements thermiques - Mém. Sci. Rev. Metal. (F) 62 n° 4, p. 291-304 (avr. 1965).
-
(4) - SYRE (R.) - Caractérisation, sélection et utilisation des alliages de titane - AGARD-LS-51-71 p. 7-1 à 7-23 ONERA.
-
(5) - CROSSLEY (F.A.) - Titanium rich end of the titanium equilibrium diagram - Trans. TMS AIME (USA) 236 p. 1174-85 (1966).
-
(6) - MANOUBI (T.) - Évolution structurale de l'alliage de titane 685 - Thèse Paris Sud Orsay (5 juil. 1978).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Traitements thermiques du titane et de ses alliages
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...
NORMES
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Military Specification (MIL). Heat treatment of titanium and titanium alloys. - MIL-H-81200 A -
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Aerospace Materials Specifications (AMS). Titanium alloys. - AMS 4 900 à AMS 4 998 -
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