Vue d'ensemble
Titane Alliages d'aluminium sont une classe de matériaux métalliques contenant un mélange de titane et d'aluminium. Ils sont légers, très solides et présentent une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation à haute température.
Les alliages TiAl sont considérés comme un important matériau structurel à haute température pour les applications aérospatiales et automobiles en raison de leur combinaison unique de propriétés. Leur faible densité les rend plus légers que les superalliages à base de nickel, tout en conservant leur résistance et leur stabilité à des températures allant jusqu'à 750°C.
Propriétés clés de Titane Alliages d'aluminium
| Propriété | Description |
|---|---|
| Densité | 3,7 - 4,1 g/cm3, beaucoup moins que les alliages de nickel |
| La force | Conserver une résistance élevée à des températures allant jusqu'à 750°C |
| Rigidité | Module élastique élevé d'environ 160 GPa |
| Ductilité | Cassant à température ambiante, il devient plus ductile à haute température. |
| Résistance à la corrosion | Excellente résistance à la corrosion grâce à la présence de titane |
| Résistance à l'oxydation | Formation d'une couche d'oxyde protectrice permettant une bonne résistance à l'oxydation jusqu'à 750°C |
| Coût | Plus cher que les alliages de titane mais moins cher que les alliages de nickel |
Types d'alliages titane-aluminium
Il existe deux principaux types d'alliages titane-aluminium :
Alliages Gamma TiAl
Les alliages Gamma TiAl ont une microstructure lamellaire et contiennent environ 45-48% de titane, le reste étant de l'aluminium. De petits ajouts d'éléments tels que le niobium, le carbone, le bore et le chrome sont également effectués pour améliorer les propriétés.
Les alliages TiAl en phase gamma offrent un bon équilibre entre faible densité, solidité, ductilité et résistance à l'oxydation. Ce sont les alliages TiAl les plus utilisés.
Alliages Alpha-2 Ti3Al
Les alliages Alpha-2 Ti3Al contiennent environ 25% d'aluminium et ont une structure cristalline hexagonale. Ils offrent une très grande résistance à la traction, mais leur ductilité et leur résistance à la rupture sont inférieures à celles des alliages gamma TiAl.
Les alliages Alpha-2 sont généralement utilisés dans des applications à très haute température, au-dessus de 800°C, comme dans les turbocompresseurs.
Composition des Titane Alliages d'aluminium
Les alliages titane-aluminium contiennent du titane comme composant principal, de l'aluminium et de petites quantités d'autres éléments. Voici la gamme de composition typique :
| Élément d'alliage | Gamme de composition | Rôle |
|---|---|---|
| Titane (Ti) | 52-56% | Élément de base primaire |
| Aluminium (Al) | 44-48% | Principal élément d'alliage avec Ti |
| Niobium (Nb) | Jusqu'à 2% | Augmente la solidité et la résistance au fluage |
| Chrome (Cr) | Jusqu'à 2% | Augmente la résistance à l'oxydation |
| Bore (B) | Jusqu'à 0,2% | Améliore la ductilité |
| Carbone (C) | Jusqu'à 0,1% | Augmente la force |
| Silicium (Si) | 0.1-1% | Améliore la résistance à l'oxydation |
| Tungstène (W) | 0.1-1% | Affine la taille des grains |
| Molybdène (Mo) | 0.1-1% | Augmente la force |
Les pourcentages d'éléments d'alliage sont contrôlés avec précision afin d'obtenir la microstructure et les propriétés adéquates dans l'alliage.
Propriétés principales des alliages titane-aluminium
Propriétés de résistance de l'alliage titane-aluminium
| Propriété | Valeur | Description |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 500 - 1100 MPa | Très grande résistance par rapport aux alliages de titane |
| Limite d'élasticité (décalage de 0,2%) | 400 - 1000 MPa | Mesure de la résistance élastique d'un alliage |
| Résistance à la compression | 600 - 1500 MPa | Excellente résistance à la compression |
| Résistance au fluage | 100 - 350 MPa | Capacité à supporter des charges à des températures élevées |
| Résistance à la rupture | 15 - 35 MPa√m | La résistance à la propagation des fissures est inférieure à celle des alliages de nickel. |
Propriétés physiques
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Densité | 3,7 - 4,1 g/cm3 |
| Point de fusion | 1360°C - 1460°C |
| Conductivité thermique | 6 - 25 W/mK |
| Résistivité électrique | 150 - 250 μΩ.cm |
| Coefficient de dilatation thermique | 11 - 13 x 10-6 /K |
Propriétés mécaniques à température ambiante
| Propriété | Valeur | Description |
|---|---|---|
| Dureté | 300 - 400 HV | Mesure de la résistance à l'indentation |
| Module de Young | 150 - 160 GPa | Mesure de la rigidité |
| Module de cisaillement | 60 - 65 GPa | Mesure de la rigidité |
| Rapport de Poisson | 0.25 – 0.34 | Rapport entre la déformation dans les directions perpendiculaire et parallèle à la charge appliquée |
| Usinabilité | Difficile | Difficulté d'usinage par rapport aux aciers |
Applications et utilisations de Titane Alliages d'aluminium
Les alliages de titane et d'aluminium sont utilisés dans une large gamme d'applications techniques de haute performance. Voici quelques-unes des principales utilisations :
Utilisations dans l'industrie aérospatiale
- Composants de moteurs d'avion tels que les aubes, les disques, les capots d'entrée d'air
- Structures de la cellule et des ailes des avions à grande vitesse
- Pièces pour véhicules spatiaux en raison de la combinaison d'un faible poids et d'une résistance à la température
Utilisations dans l'industrie automobile
- Roues et carters de turbine de turbocompresseur
- Bielles, soupapes, ressorts et fixations dans les moteurs à hautes performances
- Composants pour le sport automobile tels que les bielles et les soupapes
Autres applications
- Pièces pour moteurs à turbine à gaz, production d'électricité et applications marines
- Implants biomédicaux tels que les articulations artificielles de la hanche
- Articles de sport tels que cadres de bicyclettes, clubs de golf
Voici une comparaison de l'utilisation des alliages de titane et d'aluminium par rapport à d'autres solutions :
| Application | Alliages TiAl | Matériaux alternatifs |
|---|---|---|
| Moteurs d'avion | ✅ L'excellent rapport résistance/poids jusqu'à 750°C permet de l'utiliser pour les pales, les aubes et les arbres. | Les superalliages de nickel ont une capacité de température plus élevée mais sont plus lourds. |
| Turbocompresseurs automobiles | ✅ Bon équilibre entre la haute résistance, la résistance à la température et la densité inférieure à celle des alliages de nickel | Les alliages de nickel peuvent supporter des températures maximales plus élevées. |
| Cellules d'avion | ✅ 20-35% plus léger que les alliages de titane avec une résistance équivalente pour les ailes, les queues et le fuselage des avions | Les alliages de titane offrent une meilleure résistance à la rupture |
| Implants biomédicaux | contient du titane qui permet une liaison naturelle avec l'os humain | L'acier inoxydable et les alliages cobalt-chrome sont également couramment utilisés. |
Normes et spécifications de l'industrie
Voici quelques normes industrielles largement utilisées pour les alliages de titane et d'aluminium :
| Standard | Description |
|---|---|
| AMS 4928 | Spécification standard pour les tôles, bandes et plaques en alliage d'aluminure de titane gamma |
| AMS 4965 | Norme pour les alliages d'aluminure de titane gamma traités par métallurgie des poudres |
| AMS 4972 | Spécification normalisée pour les barres, tiges et fils d'aluminures de titane alpha-bêta ou bêta |
| ISO 21365 | Spécification pour les alliages de TiAl gamma de structure |
| ASTM B381 | Classification standard des alliages de titane-aluminium-vanadium pour implants chirurgicaux |
Les produits en alliage sont proposés dans une variété de qualités qui répondent à différentes normes en matière de chimie, de microstructure et de propriétés mécaniques.
Les qualités de titane et d'aluminium les plus courantes sont les suivantes
- Ti-48Al-2W-0.5Si (AMS 4928)
- Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 Grade 5)
- Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B (AMS 4965 Grade 5)
Fournisseurs et coûts
Parmi les principaux fournisseurs mondiaux d'alliages de titane et d'aluminium, on peut citer
| Fournisseur | Années d'études proposées | Méthodes de production |
|---|---|---|
| VSMPO | Ti-47Al-2Cr-2Nb<br>Ti-48Al-2Cr-2Nb-1Ta-0.7W | Coulée en cire perdue<br>Forgeage |
| ATI | Ti-48Al-2W-0,5Si<br>Ti-47Al-2Cr-2Nb | Moulage de précision<br>Métallurgie des poudres |
| Precision Castparts Corp | Alliages sur mesure | Coulée en cire perdue |
| Plansee | Alliages gamma TiAl | Métallurgie des poudres |
Les alliages de titane et d'aluminium sont plus chers que les alliages de titane mais moins chers que les superalliages à base de nickel. Voici quelques estimations de prix typiques :
| Grade | Estimation des prix |
|---|---|
| Ti-48Al-2Cr-2Nb | $85 - $125 par kg |
| Ti-47Al-2W-0,5Si | $100 - $150 par kg |
| Alliages TiAl sur mesure | $150 - $250 par kg |
Les prix varient en fonction du volume de commande, des spécifications de taille, des exigences de certification et d'autres personnalisations.
Avantages et limites des alliages titane-aluminium
Avantages et bénéfices
- Résistance spécifique très élevée - rapport résistance/poids élevé
- Excellente conservation de la résistance jusqu'à 750°C
- Bonne résistance à l'environnement - oxydation, brûlure et corrosion
- Coût inférieur à celui des superalliages au nickel et au cobalt
- Certaines conditions d'ouvrabilité à chaud pour le forgeage, le laminage
Lacunes et limites
- Difficultés de mise en œuvre - travail à chaud et usinage
- Comportement fragile à température ambiante
- Ténacité à la rupture relativement faible
- Température maximale d'utilisation limitée à 750°C
- Sujet à l'absorption d'hydrogène et d'humidité
Voici une comparaison des avantages et des inconvénients par rapport aux autres solutions :
| Paramètres | Alliages TiAl | Superalliages de nickel | Alliages de titane |
|---|---|---|---|
| Résistance à haute température | Bon jusqu'à 750°C | ✅ Excellent au-dessus de 900°C | Médiocre au-dessus de 500°C |
| Densité | ✅ Le plus bas | Plus élevé | Comparable |
| Résistance à l'oxydation | Bon jusqu'à 750°C | ✅ Meilleur à partir de 800°C | Médiocre au-dessus de 550°C |
| Coût | ✅ Plus bas | Le plus élevé | Plus élevé |
| Aptitude au travail | Pauvre | Bon | ✅ Best |
| Tolérance aux dommages | Pauvre | Bon | ✅ Excellent |
FAQ
Q : Que sont les aluminiures de titane gamma ?
R : Les aluminures Gamma TiAl sont des alliages intermétalliques contenant du titane (Ti) et de l'aluminium (Al) avec une structure cristalline en phase gamma (γ). Ils présentent un arrangement lamellaire ordonné des atomes de Ti et d'Al. L'alliage gamma TiAl est le type d'alliage le plus couramment utilisé.
Q : Pourquoi les alliages TiAl sont-ils envisagés pour les applications aérospatiales ?
R : Les alliages TiAl offrent une excellente combinaison de faible densité et de bonnes propriétés mécaniques jusqu'à 750°C. Cela permet de concevoir des composants de moteurs aéronautiques plus légers et plus efficaces en utilisant TiAl au lieu d'alliages de nickel beaucoup plus lourds.
Q : Quels sont les exemples de composants de turbocompresseurs en TiAl ?
R : Les alliages TiAl sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des roues et des boîtiers de turbocompresseurs dans les moteurs diesel et à essence à haute performance. La faible densité et la résistance à la température permettent d'augmenter la densité de puissance et l'efficacité.
Q : Quels sont les principaux défis liés à l'utilisation des alliages TiAl ?
R : La difficulté de mise en œuvre par moulage, forgeage et usinage, ainsi que la fragilité intrinsèque à température ambiante et la tolérance aux dommages inférieure à celle des alliages concurrents constituent des obstacles à l'adoption de ces produits. Toutefois, les méthodes de traitement et le développement d'alliages continuent de progresser.
Q : Quelle est la limite typique de la teneur en oxygène pour les alliages TiAl ?
R : L'oxygène est limité à moins de 0,2% dans les alliages TiAl. Des niveaux d'oxygène plus élevés ont un impact négatif sur la ductilité. Des méthodes de fusion et de coulée avancées sont utilisées pour contrôler le ramassage de l'oxygène.
