niobium titane poudre est un matériau intermétallique avancé doté d'excellentes propriétés supraconductrices et d'une grande résistance. Cet article présente une vue d'ensemble de la poudre de NbTi, notamment sa composition, ses méthodes de production, ses principales propriétés, ses applications, ses spécifications, son prix, etc.
Aperçu de la poudre de niobium et de titane
Le NbTi est un composé intermétallique composé de niobium (Nb) et de titane (Ti). Il est considéré comme un matériau supraconducteur, capable de conduire l'électricité avec une résistance nulle en dessous d'une température critique. Le NbTi présente une résistance supérieure à celle du niobium pur et des propriétés supraconductrices améliorées grâce à l'ajout de titane.
Les propriétés clés qui rendent le NbTi utile pour diverses applications de haute technologie sont les suivantes :
- Température critique élevée
- Champ magnétique critique élevé
- Bonne ductilité et facilité de mise en œuvre
- Excellente résistance
- Résistance à la corrosion
- Biocompatibilité
La poudre de NbTi peut être compactée sous diverses formes de produits, allant du fil et du ruban aux tiges et aux formes spéciales. Les principales applications utilisent la supraconductivité, notamment pour les appareils d'IRM, les accélérateurs de particules, les réacteurs de fusion tokamak et les aimants à haut champ. La combinaison de la résistance et de la conductivité convient également au NbTi pour les appareils médicaux avancés, les composants aérospatiaux, les détecteurs de particules et le stockage de l'énergie.
Composition de poudre de niobium titane
La teneur en niobium varie généralement de 40 à 75%, le reste étant constitué de titane. Les compositions spécifiques sont adaptées pour répondre aux propriétés et aux performances requises pour différentes applications.
Composition chimique typique
| Élément | Poids % |
|---|---|
| Niobium (Nb) | 40-75% |
| Titane (Ti) | Équilibre |
Des traces de tantale, d'oxygène, de carbone et d'azote en ppm peuvent être présentes. Les limites spécifiques dépendent de la forme du matériau et des spécifications de l'application finale.
Phases
La microstructure du NbTi consiste en une phase de niobium BCC en solution solide avec des atomes de titane répartis de manière aléatoire dans les sites du réseau. Après un travail à froid suffisant et un traitement thermique approprié, le matériau forme des précipités finement dispersés de la phase intermétallique NbTi cohérente avec la matrice de niobium.
Ce mélange de deux phases permet d'améliorer les propriétés d'épinglage du flux, ce qui maximise les performances des applications supraconductrices nécessitant une densité de courant critique élevée.
Production de poudre de niobium titane
Les méthodes commerciales de production de poudre de niobium et de titane comprennent la fusion par induction sous vide suivie d'une atomisation au gaz ou d'un traitement à l'hydrure-déshydrure. La voie de production de la poudre, les paramètres et le post-traitement sont essentiels pour obtenir la bonne microstructure.
Fusion par induction sous vide
Le niobium et le titane de haute pureté sont fondus par induction dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau et sous vide. La matière fondue est ensuite versée dans un système d'atomisation à buses en cascade où elle est atomisée par des jets de gaz argon inerte. On obtient ainsi une fine poudre sphérique idéale pour le compactage en diverses formes.
Les paramètres du processus d'atomisation peuvent être optimisés pour produire des poudres dont la taille moyenne des particules varie de 25 microns à plus de 150 microns. Les poudres plus fines offrent une surface plus importante pour l'efficacité de la filtration, tandis que les poudres plus grossières favorisent la densité de compactage pour des produits tels que le fil.
Hydrure-Déhydrure
Dans ce processus, un lingot de NbTi est hydruré, ce qui le fragilise pour le réduire en poudre. La poudre d'hydrure obtenue est ensuite déshydratée sous vide, laissant une fine poudre de NbTi adaptée à la consolidation.
Les poudres d'hydrure ont une forme plus anguleuse et irrégulière, mais elles se prêtent bien au pressage et offrent une grande pureté chimique. Ce procédé peut également être utilisé pour recycler les sous-produits de NbTi en poudre.
Post-traitement
Le traitement secondaire de la poudre brute, tel que le broyage par jet pour réduire la distribution ou le recuit sphérique pour améliorer la morphologie, est utilisé dans certains cas avant le compactage. Le frittage sous vide à haute température (jusqu'à 2000°C) permet d'obtenir un matériau parfaitement dense avant le travail mécanique.
Propriétés de niobium titane poudre
Le NbTi possède d'excellentes propriétés de conductivité, de magnétisme, de résistance et d'ouvrabilité grâce à sa composition biphasée unique.
Propriétés supraconductrices
Le NbTi présente une supraconductivité en dessous d'une température critique qui dépend de la composition exacte de l'alliage, mais qui se situe généralement autour de 10K. Il convient donc parfaitement aux applications refroidies à l'hélium liquide.
Il est considéré comme un supraconducteur de type II ayant des propriétés d'état mixte. Cela confère au NbTi les champs magnétiques critiques et la densité de courant critique les plus élevés parmi les supraconducteurs pratiques proches du zéro absolu.
Principales propriétés supraconductrices
| Propriété | Valeurs |
|---|---|
| Température critique (Tc) | 9 - 11 K |
| Champ magnétique critique (Hc2) | 12 - 15 Tesla |
| Densité de courant critique (Jc) | 3000 A/mm2 @ 5T, 4.2K |
Propriétés mécaniques
Outre sa capacité supraconductrice, le NbTi présente une résistance relativement élevée grâce au mélange biphasé niobium-NbTi. Les propriétés exactes dépendent de l'historique du traitement.
Propriétés mécaniques à température ambiante
| Propriété | Valeurs |
|---|---|
| Densité | 6,2 - 6,5 g/cc |
| Résistance ultime à la traction | 500 - 800 MPa |
| Limite d'élasticité (décalage de 0,2%) | 400 - 600 MPa |
| Module d'élasticité | 52 - 69 GPa |
| Élongation | 10 – 25% |
| Dureté | 150 - 300 HV |
Il conserve une ductilité modérée pour la fabrication de fils ou de rubans, mais sa résistance est nettement supérieure à celle des supraconducteurs purs tels que le niobium et le titane.
Un traitement thermique approprié, tel que le vieillissement à 400 ̊C, est utilisé pour maximiser la formation de précipités fins afin d'obtenir une résistance maximale et de maintenir la conductivité à travers les filaments.
Propriétés physiques
Température ambiante Propriétés physiques
| Propriété | Valeurs |
|---|---|
| Résistivité électrique | 15 - 25 μΩ-cm |
| Densité | 6,2 - 6,5 g/cm3 |
| Point de fusion | 2350 - 2500°C |
| Conductivité thermique | 4-6 W/mK |
| Capacité thermique spécifique | 265 J/kgK |
Applications de poudre de niobium titane
Les principales applications des poudres de niobium et de titane se répartissent en deux catégories principales :
- Applications des aimants supraconducteurs
- Implants et dispositifs médicaux avancés
Mais des recherches sont en cours sur les utilisations dans les accélérateurs de particules, l'énergie de fusion, les détecteurs et les applications aérospatiales spécialisées.
Aimants supraconducteurs
- Bobines d'appareils d'IRM
- Aimants de recherche à haut champ ≥10T
- Accélérateurs de particules - transport/focalisation du faisceau
- Électro-aimants du tokamak de fusion
- Séparation magnétique
- Inducteurs de stockage d'énergie magnétique
Pour ces applications, les fils et rubans en NbTi sont utilisés pour fabriquer de puissants électro-aimants refroidis par de l'hélium liquide à des températures inférieures à 10 K afin d'induire des supercourants persistants et de haute densité avec des champs de 12 à 15+ Tesla.
Applications médicales
- Arcs orthodontiques
- Implants dentaires
- Plaques de fixation osseuse
- Stents cardiovasculaires
- Implants chirurgicaux (non magnétiques)
L'excellente résistance, la ductilité et la biocompatibilité du NbTi, associées à son absence de magnétisme et d'interaction, en font un matériau adapté aux dispositifs d'ostéosynthèse ainsi qu'aux endoprothèses cardiologiques de pointe, qui présentent moins de risques d'inflammation ou de rejet.
La recherche s'intéresse également au NbTi pour les tubes de greffe vasculaire, les tiges de correction de la colonne vertébrale et les électrodes de stimulation électrique, en tirant parti de ses propriétés conductrices.
niobium titane poudre Spécifications
Les poudres et fils de NbTi sont conformes à diverses spécifications officielles émanant d'organisations telles que l'ASTM International, la Pharmacopée européenne, ainsi qu'aux normes internes des fabricants et des applications.
Spécifications de la poudre
Mesures clés de la qualité des poudres :
- Distribution de la taille des particules
- Morphologie des poudres - sphérique ou angulaire
- Densité apparente et densité de prise
- Niveaux de pureté - O2, H2, N2
- Propriétés supraconductrices
ASTM International a normalisé des méthodes d'essai pour mesurer ces caractéristiques des poudres. Par exemple :
| Standard | Titre | Méthode d'essai |
|---|---|---|
| ASTM B939 | Méthode d'essai normalisée pour la résistance à l'écrasement radial des paliers et des matériaux de structure en métallurgie des poudres (PM) | Compressibilité / rétention de la forme des particules de poudre |
| ASTM B243 | Terminologie standard de la métallurgie des poudres | Définitions des termes courants de la métallurgie des poudres |
Spécifications des fils
Les principaux paramètres du fil de NbTi sont les suivants :
- Diamètre du fil et tolérance
- Niveaux d'impuretés interstitielles très bas
- Rapport de résistivité résiduelle (RRR)
- Température critique
- Champ magnétique critique
- Densité de courant critique
Le fil supraconducteur est fabriqué selon des normes de propreté rigoureuses pour les applications aérospatiales et militaires définies dans les spécifications SAE-AMS et militaires américaines couvrant la composition, les limites de contamination, les procédures d'essai et les exigences en matière d'assurance qualité.
Par exemple, l'AMS-WWK-5846H couvre les alliages de niobium résistants à la corrosion et à la chaleur sous forme de barres, de billettes, de pièces forgées, de feuilles, de bandes et de fils.
Fournisseurs et prix
La poudre et le fil de niobium-titane ne sont produits que par une poignée de fournisseurs spécialisés, compte tenu des applications de haute technologie et de l'équipement de production spécialisé qu'ils requièrent.
Principaux fournisseurs de poudre de NbTi
- Wah Chang (États-Unis)
- Ningxia Orient Tantalum Industry (Chine)
- HC Starck (Allemagne)
- Phelly Materials (Pays-Bas)
Tarification
En tant que matériau intermétallique pulvérisé spécialisé, niobium titane poudre commande un prix supérieur à celui des métaux courants. Le coût par 100 g peut varier d'environ $250 à $500+ en fonction de la pureté et des caractéristiques des particules.
Les rebuts et la poudre de NbTi recyclée sont négociés avec des rabais de 40% ou plus par rapport aux niveaux de prix de la poudre vierge.
Sous d'autres formes, comme le fil, une bobine de 1 kg de fil supraconducteur en NbTi se vend entre $3 000 et $5 000+, en fonction du nombre de brins et du traitement.
Comparaisons avec d'autres matériaux
Niobium titane vs Niobium étain
Le niobium-étain (Nb3Sn) est un autre supraconducteur courant qui rivalise avec le NbTi en fonction de l'application. Par rapport au NbTi, le Nb3Sn a :
Avantages
- 50% champ magnétique critique plus élevé
- Capacité à conserver la supraconductivité à des températures plus élevées
Inconvénients
- Une fabrication plus complexe
- Plus fragile et moins facile à travailler
- Plus cher (contient de l'étain cher)
Le Nb3Sn est donc plus adapté aux aimants à très haut champ qui justifient un coût plus élevé, tandis que le NbTi offre les meilleures performances pour les applications générales en dessous d'un champ de 12T.
Niobium Titane vs Niobium Zirconium
Le remplacement d'une partie du titane dans les alliages de NbTi par du zirconium permet de créer des supraconducteurs en NbZr dont la ductilité et l'ouvrabilité sont légèrement meilleures. Les principales différences par rapport aux qualités de NbTi standard sont les suivantes :
NbZr Avantages
- ductilité plus élevée - meilleure pour le tréfilage complexe
- Meilleure ouvrabilité à basse température
- Moins de centres d'épinglage du flux magnétique
Avantages du NbTi
- Coût inférieur des matériaux
- Stabilité à la température plus élevée
- Densité de courant critique plus élevée
Le NbZr est donc de nouveau en concurrence pour les bobines magnétiques spécialisées à haut champ qui repoussent les limites de la performance, tandis que le NbTi offre une meilleure rentabilité et des propriétés commerciales éprouvées qui répondent à la plupart des besoins médicaux ou industriels.
Limites et risques
Malgré les performances élevées des supraconducteurs, les limites de l'utilisation du niobium et du titane sont les suivantes :
Coût
- Matériau spécialisé onéreux, coûtant plus de $250 par 100g sous forme de poudre. Cela limite les applications aux industries à forte valeur ajoutée.
La fragilité
- Susceptible de se fissurer en cas de surmenage/déformation en raison de la présence de phases intermétalliques.
- Recuit nécessaire pour conserver la ductilité pendant la fabrication
Oxydation
- La poudre et le fil s'oxydent facilement au-dessus de 400°C
- Les performances diminuent en présence d'acides ou de conditions oxydantes.
Limites du champ magnétique
- Le champ critique plafonne autour de 12-15T, ce qui limite l'intensité du champ réalisable.
- Construction de fils multifilamentaires très fins nécessaire pour réduire les pertes par hystérésis en fonctionnement alternatif
Une production, une manipulation et un compactage corrects de la poudre, ainsi que des pratiques de tréfilage, permettent d'atténuer ces problèmes et d'obtenir des performances fiables.
Perspectives
La demande mondiale de niobium-titane devrait connaître une croissance régulière de 6-8% par an, principalement en raison de la production et de la modernisation des appareils d'IRM, mais aussi de l'expansion des collisionneurs de particules destinés à la recherche.
Il existe également un potentiel de croissance dans le domaine de la séparation magnétique pour les applications minières et dans l'amélioration des supraconducteurs à haute température pour la prochaine génération d'énergie de fusion compacte, si la technologie continue à progresser jusqu'à la viabilité commerciale.
Les barrières à l'entrée étant élevées, les fournisseurs de NbTi existants sont bien placés pour bénéficier de l'augmentation de la consommation dans les secteurs médical, scientifique et, à l'avenir, dans celui de l'énergie. Le recyclage des déchets de NbTi permet également de compléter la production de poudre primaire.
FAQ
À quoi sert la poudre de niobium et de titane ?
- Principalement utilisé pour la fabrication de fils et de rubans supraconducteurs pour les aimants IRM à haut champ, les accélérateurs de particules, les réacteurs de fusion, les aimants industriels spécialisés, etc. Il est également utilisé pour les implants et dispositifs médicaux en raison de sa biocompatibilité, de sa résistance et de ses propriétés non magnétiques.
Quels sont les pourcentages typiques de niobium et de titane dans le NbTi ?
- La teneur en poids de niobium varie de 40 à 75%, le reste étant constitué de titane. Les compositions réelles varient en fonction de l'application afin d'optimiser les propriétés - par exemple, une teneur en Nb plus élevée pour une meilleure stabilité à la température.
Quelle est la méthode de production de la poudre de NbTi ?
- Les principales méthodes de production sont l'atomisation au gaz des lingots fondus par induction ou le traitement à l'hydrure-déshydrure pour écraser et pulvériser les déchets/ingots en poudre. Ces deux méthodes produisent la microstructure à petits grains nécessaire.
Quelle est la température critique du NbTi ?
- La température critique à laquelle le NbTi passe à l'état supraconducteur se situe entre 9 et 10,5 K en fonction de la composition exacte. Il convient donc parfaitement aux applications de refroidissement à l'hélium liquide.
Quels sont les autres supraconducteurs courants à base de niobium ?
- Le NbTi est le plus courant, mais le niobium-étain (Nb3Sn) offre des capacités de champ plus élevées pour les aimants spécialisés. Le niobium-zirconium (NbZr), moins courant, présente certains avantages en termes de ductilité, mais sa conductivité globale est inférieure à celle du NbTi à des températures proches du zéro absolu.
Le niobium et le titane sont-ils des supraconducteurs de type I ou de type II ?
- Le NbTi est considéré comme un supraconducteur de type II, ce qui signifie qu'il présente des états normaux et supraconducteurs en parallèle dans un champ magnétique appliqué entre ses première et deuxième intensités de champ critique. Il en résulte une densité de courant critique élevée.
La dégradation du NbTi est-elle un problème ?
- La diminution des performances due à l'oxydation peut être un problème au-delà de 400°C. Le maintien d'une atmosphère inerte protectrice est important pendant le traitement des poudres et la fabrication des fils. L'isolation du fil de NbTi dans une matrice époxy permet de se prémunir contre l'oxydation pendant le service.
