Combien y a-t-il de nuances d'alliages de titane ? La littérature donne un chiffre : plus de 100. Parmi celles-ci, 40 à 50 sont réellement utilisées dans l'industrie, et seulement une douzaine sont d'usage courant. Avec autant d'alliages, mémoriser les désignations de nuances ne suffira jamais. Les métallurgistes ont donc fait la chose la plus fondamentale possible — ils les ont classés par microstructure.

La « microstructure » ici désigne la structure cristalline qui domine réellement dans un alliage de titane à température ambiante : la phase α hexagonale compacte, la phase β cubique centrée, ou un mélange des deux. Ne sous-estimez pas cette classification — la microstructure à température ambiante détermine essentiellement si l'alliage se soude bien, peut être formé à froid, résiste aux hautes températures, et jusqu'où sa résistance peut aller. On pourrait dire que la microstructure est le caractère inné du titane.

Aujourd'hui, nous allons présenter les quatre familles d'alliages de titane — α, quasi-α, α+β et β — en une seule fois. Dans la norme nationale chinoise, ils utilisent respectivement les préfixes TA, TC et TB (le titane commercialement pur et le type α utilisent TA ; le type α+β utilise TC ; le type β utilise TB), suivis d'un numéro d'enregistrement, tels que TA7, TC4 et TB2.

Prenez une minute pour vous remémorer la logique sous-jacente abordée précédemment. Le titane subit une transformation allotropique à 882 °C : à haute température, il est en phase β cubique centrée, et à basse température, en phase α hexagonale compacte. L'ajout d'éléments d'alliage modifie les sphères d'influence de ces deux phases :

• Éléments stabilisateurs de α (aluminium, oxygène, azote, etc.) élargissent le α

champ de phase, rendant la microstructure à température ambiante principalement α ;

• éléments β-stabilisants (molybdène, vanadium, niobium, fer,

chrome, etc.)

élargissent le domaine de phase β ; ajoutez-en suffisamment et la phase β peut être retenue

même à température ambiante ;

• Ajoutez les deux, avec la phase β représentant 10 %–50 %, et vous obtenez un

Alliage biphasé α+β.

Ainsi, classés par teneur en phase β à température ambiante, du plus faible au plus élevé, les alliages de titane se répartissent naturellement en quatre familles : α (presque entièrement α) → quasi-α (β ne dépassant pas 10 %) → α+β (β entre 10 % et 50 %) → β (entièrement β à température ambiante). Cette ligne est essentiellement une ligne d'équivalent molybdène croissant, du plus faible au plus élevé.

Et les tempéraments des phases α et β sont radicalement différents : la phase α est hexagonale compacte avec peu de systèmes de glissement, ce qui lui confère une haute résistance, une résistance aux hautes températures, une résistance à la corrosion et une bonne soudabilité — mais elle est difficile à former à froid. La phase β est cubique centrée avec de nombreux systèmes de glissement, elle est donc douce, tenace, facile à former à froid et peut être considérablement renforcée par traitement thermique. Quelle que soit la phase dominante, l'alliage suit sa disposition.

Les alliages de titane α contiennent principalement des éléments alphagènes, et dans leur état stable à température ambiante, ils sont essentiellement constitués à 100 % de phase α. Les représentants sont le titane commercialement pur (TA0, TA1, TA2, TA3) et le TA7 (Ti-5Al-2.5Sn).

Mots-clés caractéristiques de cette famille : résistant à la corrosion, facilement soudable, bonne aptitude au travail à chaud — mais non durcissable par traitement thermique, résistance relativement faible, et formabilité à froid seulement modérée.

Étant donné que la microstructure est une phase α unique avec une composition uniforme et aucune des complications apportées par les transformations de phase, les alliages α ont les meilleures performances de soudage parmi les alliages de titane — le coefficient de résistance d'un joint soudé peut approcher 100 %. Précisément parce qu'il est monophasé et ne peut pas être renforcé par transformation de phase, sa résistance provient principalement des éléments interstitiels (oxygène, azote) et du durcissement par solution solide de l'aluminium et de l'étain, de sorte que son plafond n'est pas élevé.

La littérature indique spécifiquement que les alliages α sont utilisés principalement dans les industries chimique, pétrochimique et de procédés, où la première considération n'est pas la résistance mais la résistance à la corrosion et la déformabilité. Le titane commercialement pur (TA0–TA3) est donc le premier choix, tout comme les versions renforcées résistantes à la corrosion telles que le TA9 contenant du palladium (Ti-0,2Pd) et le TA10 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) avec de petits ajouts de molybdène et de nickel — ceux-ci constituent le remède spécifique pour l'acide chlorhydrique chaud, l'acide sulfurique et d'autres acides fortement réducteurs, et sont le matériau de prédilection pour les réacteurs, les échangeurs de chaleur, la tuyauterie et les équipements de chlore-alcali.

En une phrase : l'école α ne poursuit pas la force brute ; elle poursuit « ne jamais rouiller, se souder sainement et performer de manière stable toute une vie ».

Les alliages de titane quasi-α ajoutent de petites quantités d'éléments β-stabilisants sur une base α ; dans la microstructure recuite, la phase β ou les composés intermétalliques ne dépassent généralement pas 10 %. Ne méprisez pas ces moins de 10 % de β : cela permet à l'alliage, tout en conservant la résistance à haute température et la soudabilité de l'école α, d'élever d'un cran la résistance à haute température et la résistance au fluage.

Cette école existe presque entièrement pour les sections chaudes des moteurs d'avion. La littérature nomme trois représentants :

– TA11 (Ti-8Al-1Mo-1V) : développé aux États

Unis, destiné aux services à haute température. Mais sa teneur en aluminium est aussi

élevée que 8 %, ce qui entraîne des problèmes de corrosion sous contrainte par les sels chauds — il est sujet à

la fissuration dans les environnements à haute température contenant des sels.

– TA15 (Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr) : c'est l'alliage russe BT20.

C'est un « alliage similaire » au TA11, mais il abaisse intelligemment l'aluminium et ajoute

du zirconium, préservant la résistance à la chaleur tout en améliorant le comportement

à la corrosion sous contrainte par les sels chauds. C'est un alliage de titane classique à haute température pour un service à long terme

à environ 500 °C, utilisé de manière extensive dans les cellules et moteurs d'aéronefs

pièces porteuses.

– TA13 (Ti-2,5Cu) : l'alliage britannique IMI230, de

type « α + composé », renforcé par précipitation de Ti₂Cu — l'un des rares

alliages quasi-α pouvant être renforcés par traitement thermique.

L'école quasi-α dispose également d'un pilier contemporain — le TA19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, désignation internationale Ti-6242S). Avec une matrice α additionnée d'étain, de zirconium, de molybdène et de traces de silicium, sa température de service à long terme peut atteindre 550 °C ; la déformation par fluage à 550 °C sur 100 heures peut être maintenue en dessous de 0,1 %, tout en conservant la bonne soudabilité de l'école α (le coefficient de résistance des joints soudés à l'arc sous argon peut atteindre 100 %). Aujourd'hui, il est utilisé dans les carters de compresseur haute pression, les aubes et les disques aubagés monoblocs des moteurs aéronautiques, où il remplace les superalliages à base de nickel dans les moteurs nationaux et dans les structures liées au C919/C929, permettant des réductions de poids de 25 % à 30 % (selon les données techniques de Litai Metal et Kehui Titanium).

La philosophie de conception de l'école quasi-α est très claire : maintenir la phase β à une simple trace (moins de 10 %), conserver presque entièrement la matrice α résistante aux hautes températures, et utiliser des éléments tels que l'étain, le zirconium, le molybdène et le silicium pour le renforcement par solution solide et le renforcement au fluage à haute température. C'est la solution optimale pour « avoir besoin d'une résistance à la chaleur, plus d'une soudabilité, plus un peu plus de résistance ».

Les alliages de titane α+β contiennent une quantité relativement importante d'éléments stabilisateurs de β ; à température ambiante, les phases α et β coexistent, la teneur en β étant généralement de 10 % à 50 %. C'est l'école la plus importante et la plus utilisée parmi les alliages de titane.

Ses mots-clés caractéristiques : résistance moyenne, durcissable par traitement thermique, excellentes performances globales — mais soudabilité relativement médiocre.

Parce qu'il existe deux phases, les alliages α+β peuvent être « ajustés » sur une large gamme de résistance, plasticité et ténacité en ajustant le traitement thermique (traitement de mise en solution + vieillissement / recuit duplex) et le rapport des deux phases — ce que les alliages α monophasés ne peuvent pas faire. Dans le tableau 6-1, cette école dispose d'une gamme luxueuse :

– TC1 (Ti-2Al-1.5Mn) : état recuit, faible coût,

bonne formabilité ;

– TC4 (Ti-6Al-4V) : état recuit, la

star absolue ;

– TC6 (Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.35Si) : double recuit ;

– TC10 (Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe) : recuit

condition, résistance plus élevée ;

– TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si) : double recuit,

type résistant à la chaleur.

Quelques mots supplémentaires doivent être dits à propos du TC4 : le Ti-6Al-4V a été développé avec succès par l'Arsenal de Watertown aux États-Unis en 1954 et est largement utilisé dans l'industrie aérospatiale ; ses produits représentent 55 % à 65 % de la production totale d'alliages de titane, et il peut être produit sous forme de pièces forgées aéronautiques de grande taille de toutes sortes. Il possède d'excellentes performances globales, c'est l'alliage le plus étudié en profondeur, celui qui est en service depuis le plus longtemps et celui qui a la plus large gamme d'applications — « un demi-siècle après sa naissance, il conserve encore une vitalité vigoureuse ».

C'est également un citoyen international « onegrade travels the world », avec une nuance correspondante dans chaque pays :

• Chine : TC4

• Timet Division, États-Unis : Ti-6Al-4V ; Reactive Metals Inc., États-Unis :

RMI 6Al-4V ; correspondant à l'ASTM Grade 5

• Royaume-Uni, IMI : IMI 318

• Russie : BT6

• Japon, Sumitomo : ST-A140

• France : TA6V

• Allemagne, Krupp : LT31

Pourquoi le monde entier l'utilise-t-il ? 6 % d'aluminium stabilise la phase α et 4 % de vanadium stabilise la phase β, ce qui donne un rapport biphasé parfaitement adapté — une résistance suffisamment élevée (limite d'élasticité après recuit ≥ 895 MPa), une plasticité suffisante, une résistance à la corrosion, une soudabilité (bien que moins bonne que celle des alliages α), une aptitude au traitement thermique et une biocompatibilité : il n'a pratiquement aucun défaut. C'est le « premier de la classe toutes matières confondues » des alliages de titane.

Néanmoins, le manuel souligne également le point faible de la famille α+β : une soudabilité relativement médiocre. En effet, sous l'effet du chauffage et du refroidissement rapides du soudage, la phase β de la microstructure biphasée subit une transformation martensitique, ce qui rend le joint sujet à la fragilisation et à une perte de plasticité. Pour cette raison, les pièces soudées critiques préfèrent souvent les alliages α / quasi-α, ou nécessitent un traitement thermique après soudage dédié.

Les alliages de titane β contiennent suffisamment d'éléments stabilisateurs de la phase β pour que, à une vitesse de refroidissement appropriée, la microstructure à température ambiante puisse être entièrement constituée de phase β. Le manuel les divise en outre en deux catégories : les alliages de titane β traitables thermiquement (β métastable) et les alliages de titane β thermiquement stables.

Cette école possède le caractère le plus « divisé » et le plus remarquable :

Après trempe, les alliages β métastables sont une phase β unique et douce à température ambiante, avec une excellente plasticité de mise en forme ; les tôles peuvent être formées à froid, pliées à froid et refoulées à froid comme les alliages d'aluminium, et le rayon de pliage peut approcher 0,5 fois l'épaisseur de la tôle (α+β TC4 nécessite généralement 3 à 4 fois l'épaisseur de la tôle et a encore tendance à fissurer). Pour les pièces en tôle de forme complexe, les ressorts et les fixations, c'est une nouvelle extrêmement bonne.

Après formage, le traitement de vieillissement permet à la phase α nanométrique de précipiter de manière dispersée dans la matrice β, et la résistance peut atteindre une résistance à la traction à température ambiante allant jusqu'à 1 300–1 400 MPa — la plus élevée parmi les quatre familles.

Le représentant dans le tableau 6-1 du manuel est le TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al), dont l'état est marqué « trempé / trempé et vieilli » — le modèle même du « on le forme d'abord à l'état mou, puis on le durcit par vieillissement ».

Les applications classiques de la famille β sont les ressorts et les fixations. Prenons le célèbre Beta C alloy (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, nuance américaine Grade 19) : développé dans les années 1960 pour remplacer le Ti-13V-11Cr-3Al difficile à usiner, il est extrêmement mou à l'état traité en solution et peut être enroulé à froid pour prendre sa forme ; après vieillissement, sa résistance à la traction peut atteindre 1 100–1 200 MPa. Avec un poids inférieur de 40 %–50 % à celui des ressorts en acier et une densité de stockage d'énergie plus élevée, il est largement utilisé dans les ressorts de train d'atterrissage d'avions, les ressorts de soupapes hautes performances et les composants haute résistance et résistants à la corrosion pour les puits de pétrole et de gaz (répondant aux exigences de la norme NACE MR0175 pour les environnements à H₂S acide). La NASA a même vérifié, lors d'une mission de retour d'échantillons martiens, que les ressorts en Beta C restaient fiables après 3 000 cycles à une température cryogénique de l'espace lointain de −135 °C (selon les rapports techniques de la NASA et les données de Titanium Industries).

Le prix que paie l'école β : de nombreux éléments d'alliage (le molybdène, le vanadium et le chrome sont tous coûteux), une densité relativement élevée, un coût élevé et une sensibilité aux traitements thermiques. On l'utilise donc là où « la performance vaut le prix ».

Une fois ce tableau compris, vous avez saisi les « premiers principes » de la sélection des alliages de titane : pour la résistance à la corrosion et la soudabilité, choisissez α ; pour la résistance aux hautes températures, choisissez quasi-α ; pour une performance polyvalente, choisissez α+β (avec TC4 comme valeur sûre par défaut) ; pour la formabilité à froid et une ultra-haute résistance, choisissez β.

De cette chaleur du Ti-6Al-4V au Watertown Arsenal en 1954 aux alliages de titane β de classe 1 400 MPa conçus par IA aujourd'hui, ce qui change, ce sont les chiffres de résistance et les procédés de fabrication — ce qui ne change pas, c'est cette logique sous-jacente de classification par microstructure. Parmi les quatre écoles, il n'y a ni haut ni bas, ni noble ni vulgaire ; il n'y a que « l'utiliser au bon endroit ».