Qu'est-ce que le titane ?Le guide ultime

Le titane est un élément métallique important dont le symbole chimique est Ti et le numéro atomique 22 dans le tableau périodique. Il a un éclat métallique blanc argenté et possède d'excellentes propriétés telles qu'un point de fusion élevé, une faible densité, une grande résistance et une forte ductilité. Titane est un matériau industriel essentiel. Si vous souhaitez en savoir plus sur le titane, poursuivez votre lecture ci-dessous !

L'autre terme pour le titane

Le titane présente de nombreux avantages exceptionnels, tels que sa faible densité, sa grande ductilité et sa forte résistance à la corrosion, ce qui lui vaut d'être également appelé "métal miracle", "métal spatial" ou "métal marin".

Histoire du titane

En 1791, le titane a été découvert en Angleterre par le géologue amateur William Gregor. En 1795, le chimiste allemand Klaproth, se référant au nom des divinités Titan de la mythologie grecque, nomme ce nouvel élément "Titane". Ce n'est qu'en 1910 que le chimiste américain Hunter a obtenu pour la première fois du titane métal pur à 99,9% en réduisant le TiCl avec du sodium. En 1940, le scientifique luxembourgeois Kroll a également produit du titane pur en utilisant la méthode de réduction au magnésium. Depuis lors, la méthode de réduction au magnésium et la méthode de réduction au sodium sont devenues des procédés industriels pour la production de titane.

La couleur du titane

Le titane métallique a l'apparence de l'acier, avec un éclat blanc argenté ou gris argenté, et il s'agit d'un métal de transition.

De quoi est fait le titane ?

Le titane est largement répandu, représentant environ 0,44% de la croûte terrestre, et se trouve dans toutes les roches, les sables, les argiles et autres sols. Cependant, comme le titane réagit facilement avec l'oxygène, on ne trouve pas de titane pur dans la nature ; il existe principalement sous la forme de dioxyde de titane. Les minerais de titane comprennent principalement l'ilménite et le rutile, et le titane pur peut être obtenu par purification de ces minéraux.

Comment le titane est-il fabriqué ?

Le titane est généralement produit selon le procédé Kroll. Tout d'abord, le minerai de titane est chauffé pour produire du tétrachlorure de titane liquide (TiCl4). La purification se fait ensuite par distillation fractionnée. Après la distillation, du magnésium fondu est ajouté pour le réduire à l'état d'éponge. L'éponge est ensuite fondue pour former des lingots, qui sont ensuite transformés en divers produits mécaniques tels que des tiges, des plaques, des feuilles et des tubes. Enfin, ces produits mécaniques sont transformés et mis en forme, et un traitement de surface est appliqué si nécessaire pour optimiser le produit.

Quels sont les principaux types de titane ?

Le titane possède deux types de structures polymorphes, à savoir la phase α et la phase β. Sur la base des caractéristiques polymorphes du titane, les alliages de titane peuvent être divisés en trois grandes catégories : les alliages de titane α, les alliages de titane β et les alliages de titane α+β.

Alliage de titane Alpha

Les alliages de titane alpha sont également divisés en alliages alpha complets et en alliages quasi-alpha. Il s'agit d'alliages monophasés composés d'une solution solide en phase alpha. Ils présentent de bonnes propriétés d'usinage à froid et à chaud, une structure stable et une forte résistance à l'oxydation.

Alliage de titane Beta

Les alliages de titane bêta sont subdivisés en alliages bêta stables, alliages bêta métastables et alliages quasi-bêta. Il s'agit d'alliages monophasés composés d'une solution solide de phase bêta, qui présentent d'excellentes caractéristiques de résistance et atteignent des niveaux de résistance élevés. Ils présentent également une forte résistance à la corrosion et une bonne soudabilité.

Alliage de titane α+β (Alpha+Beta)

Il s'agit d'un alliage biphasé présentant de bonnes propriétés globales, notamment une structure stable, une bonne ténacité, une bonne plasticité et une résistance à la déformation à haute température. L'alliage peut être renforcé par des procédés tels que le pressage à chaud, la trempe et le traitement de vieillissement.

Quelles sont les qualités courantes de titane ?

Première année

Titane commercial pur de grade 1 est le type de titane le plus doux et le plus ductile. Il offre une formabilité maximale, une excellente résistance à la corrosion et une grande résistance aux chocs. C'est le matériau préféré pour les applications nécessitant une facilité de formage et il est couramment utilisé dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile et de la production d'énergie.

Niveau 2

Le titane pur commercial de grade 2 est le titane pur commercial le plus couramment utilisé, avec une résistance modérée et d'excellentes propriétés de déformation à froid. Comparé à d'autres grades de titane pur commercial, Titane de grade 2 est légèrement plus faible que le grade 3 mais plus fort que le grade 1, tout en offrant une résistance à la corrosion. En raison de sa résistance à la corrosion, il est couramment utilisé dans les secteurs de la marine, de la médecine, de la production d'énergie et du pétrole.

Niveau 3

Le titane de grade 3 est le moins utilisé parmi les grades commerciaux de titane pur, mais cela ne diminue pas sa valeur. Il présente une grande solidité, une bonne résistance à la corrosion et une bonne soudabilité. Sa résistance est supérieure à celle du grade 1 et du grade 2, mais sa ductilité est inférieure à celle des deux autres grades. Il est couramment utilisé dans l'industrie maritime, l'aérospatiale et les industries de traitement chimique.

Grade 4

Le titane de grade 4 est considéré comme le plus solide parmi les grades commerciaux de titane pur, connu pour son excellente résistance à la corrosion, sa bonne formabilité et sa soudabilité. Il est couramment utilisé dans l'aérospatiale, le traitement chimique et les industries médicales pour des applications telles que les structures des cellules d'avion, les échangeurs de chaleur, le matériel chirurgical, etc.

Grade 5 ou Ti 6Al-4V

Titane de grade 5également connu sous le nom de Ti6Al-4V, est considéré comme le "cheval de bataille" des alliages de titane et est le plus couramment utilisé parmi tous les alliages de titane, représentant 50% de l'utilisation totale de titane dans le monde. Cet alliage se caractérise par sa légèreté, sa résistance extrêmement élevée, sa résistance à la chaleur, sa résistance à la corrosion et sa formabilité. C'est pourquoi il est très prisé dans l'industrie aérospatiale pour la fabrication de moteurs, de composants structurels et d'attaches.

Grade 6 ou Ti 5Al-2,5Sn

Le titane de grade 6 présente une stabilité extrêmement forte et conserve une bonne soudabilité et une bonne résistance, même à des températures élevées. Il présente également d'excellentes propriétés de traitement. Il est couramment utilisé pour les carters de moteurs à turbine, les composants aéronautiques et les pièces de traitement chimique.

7e année

Le titane de grade 7 est similaire au titane de grade 2, à l'exception de l'ajout de l'élément interstitiel palladium (dans la gamme de 0,12% à 0,25%), qui améliore sa capacité à résister à la corrosion caverneuse. Le grade 7 présente également une excellente soudabilité et est le plus résistant à la corrosion parmi tous les alliages de titane. Il est couramment utilisé dans la fabrication de produits chimiques, le dessalement de l'eau de mer et la production d'énergie.

11e année

Le titane de grade 11, également connu sous le nom de CP Ti-0.15Pd, est un titane commercial pur similaire aux grades 1 et 2, avec l'ajout d'une petite quantité de palladium pour améliorer la résistance à la corrosion. Il peut être utilisé pour prévenir la corrosion caverneuse et réduire les acides dans les environnements chlorés. Le titane de grade 11 présente également une ductilité élevée, une formabilité à froid, une résistance utile, une résistance aux chocs et une excellente soudabilité. Il est couramment utilisé dans le traitement chimique et les échangeurs de chaleur.

Grade 12 ou Ti 0,3-Mo 0,8-Ni

Le titane de grade 12, également connu sous le nom de Ti 0,3 Mo 0,8 Ni, est un alliage très résistant à la corrosion qui contient de petites quantités de nickel et de molybdène. Ces éléments renforcent la résistance à la corrosion et la solidité de l'alliage. Il est couramment utilisé dans des applications telles que les navires ou les plates-formes de forage offshore.

Grade 23 ou Ti 6AL-4V ELI

Le titane de grade 23, également connu sous le nom de Ti 6Al-4V ELI, se caractérise par une ductilité et une résistance élevées, un poids léger, une résistance à la corrosion et une grande ténacité. C'est le choix préféré pour les applications dentaires et médicales.

Quelle est la meilleure qualité de titane ?

Le titane de grade 5 (Ti 6Al-4V) est connu sous le nom de "cheval de trait" car il représente la moitié de la demande de titane. En raison de son large éventail de propriétés souhaitables, il est devenu le grade de titane le plus couramment utilisé. Le titane de grade 5 présente une grande solidité, une grande ductilité, une forte résistance à la corrosion, une excellente stabilité thermique et est facile à traiter et à façonner, ce qui le rend largement utilisé dans des industries telles que l'aérospatiale et la marine.

Quelles sont les propriétés du titane ?

Vous trouverez ci-dessous les propriétés physiques et chimiques du titane :

Propriétés physiques

Densité : 4,5 grammes/centimètre cube

Couleur : Éclat métallique blanc argenté

La force : La résistance du titane dépend de la qualité du titane et de la concentration de ses éléments d'alliage.

L'abondance : Le titane est le neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, presque présent dans toutes les roches et tous les sédiments.

Résistance à la température : Le titane peut supporter des températures plus élevées et plus basses que l'acier inoxydable et l'aluminium.

Ductilité : La ductilité du titane va de 6% d'allongement (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) à 25% (Grade 1 commercialement pur).

Propriétés chimiques

Oxydation : En raison de son potentiel d'oxydation élevé, le titane n'existe pas à l'état pur dans la nature, mais plutôt sous forme d'oxydes dans les roches et les minéraux.

Réactivité : Il réagit avec les acides et les halogènes à des températures élevées, mais ne réagit pas du tout avec les alcalis.

Résistance à la corrosion : Le titane présente une résistance à la corrosion extrêmement forte, résistant à la corrosion par les acides, les alcalis et l'eau de mer, car les molécules d'oxygène se combinent au titane pour former de l'oxyde de titane.

Usinabilité : Il est facile à transformer en produits de formes diverses, tels que barres, plaques, tuyaux, etc.

Processus de fabrication du métal titane

Le processus Kroll est utilisé pour convertir le titane brut en titane métal. Les étapes de ce processus comprennent l'extraction, la purification, la production d'éponges, la fabrication d'alliages, ainsi que la mise en forme et le formage.

1. L'extraction

Les concentrés à haute teneur sont extraits de minerais bruts tels que l'ilménite et le rutile et envoyés dans des usines pour y être traités. Après un prétraitement destiné à éliminer la teneur en fer, l'ilménite est placée dans un réacteur à lit fluidisé contenant du chlore et du carbone et chauffée à 900°C. La réaction chimique produit du tétrachlorure de titane et du monoxyde de carbone. Le tétrachlorure de titane contient des impuretés qui doivent être éliminées pour préparer le dioxyde de titane.

2. La purification

Le tétrachlorure de titane est soumis à une distillation sous vide à haute température pour être purifié. Le métal produit au cours du processus d'extraction est chauffé dans de grands réservoirs de distillation. Le processus de purification utilise la distillation fractionnée et la précipitation pour séparer les impuretés. En raison des points d'ébullition différents des divers éléments, au cours du processus de distillation, divers éléments sont éliminés lorsqu'ils atteignent leur point d'ébullition. Les impuretés éliminées comprennent le vanadium, le silicium, le magnésium, le zirconium et le fer.

3. Formation de l'éponge

Lors de la formation de l'éponge, le tétrachlorure de titane purifié est versé sous forme liquide dans des cuves de réaction en acier inoxydable. Le magnésium est ajouté et le mélange est chauffé à 1100°C pour réagir avec le chlore et produire du chlorure de magnésium. De l'argon est pompé pour éliminer l'air et empêcher les réactions avec l'oxygène et l'azote. Le titane produit est extrait par forage et traité avec un mélange d'eau et d'acide chlorhydrique pour éliminer l'excès de magnésium et de chlorure de magnésium. Le titane obtenu se présente sous la forme d'une éponge.

4. Création d'alliages

Le titane spongieux pur est mélangé à divers alliages et déchets métalliques pour fabriquer des alliages. Après avoir fondu et mélangé les métaux dans des proportions appropriées, les morceaux sont compactés et soudés pour former des électrodes en éponge. Celles-ci sont fondues dans un four à arc sous vide pour former des lingots qui seront ensuite transformés en divers produits industriels et commerciaux.

5. Façonnage et mise en forme

Les lingots sont retirés du four, inspectés, emballés et transportés pour la fabrication de produits en alliage de titane. Les propriétés de chaque lingot sont inspectées pour s'assurer qu'elles répondent aux exigences du client. Les lingots subissent différents processus tels que le soudage, la mise en forme, le moulage, le forgeage et la métallurgie des poudres au cours du processus de fabrication du produit.

Quels sont les avantages du titane ?

Haute résistance : Le titane possède une excellente résistance, ce qui en fait l'un des métaux les plus solides du tableau périodique. En raison de sa faible densité, le titane est également très léger.

Résistance à la corrosion : Le titane réagit facilement à l'oxygène, formant une fine couche d'oxyde à sa surface, ce qui lui confère une résistance naturelle à la corrosion.

Biocompatibilité : Le titane est non toxique et biocompatible pour les humains et les animaux. C'est pourquoi le titane est fréquemment utilisé dans les secteurs médical et dentaire.

Faible coefficient de dilatation thermique : Le titane a un faible coefficient de dilatation thermique, ce qui se traduit par une dilatation et une contraction minimales à des températures extrêmes, d'où une plus grande stabilité structurelle.

Point de fusion élevé : Le titane a un point de fusion extrêmement élevé (environ 1668°C), ce qui le rend particulièrement adapté aux applications à haute température telles que les fonderies et les moteurs à turbine.

Excellentes possibilités de fabrication : Bien qu'il s'agisse d'un métal très résistant, le titane est également souple et ductile. Cela permet de fabriquer des composants en titane à l'aide de divers procédés de fabrication.

Quelles sont les limites du titane ?

Cher : Le titane est considéré comme un métal rare et sa purification est à la fois coûteuse et complexe.

Difficile à façonner : Des machines perfectionnées et des équipements spécialisés sont nécessaires pour lui donner une forme utile.

Réagit à des températures élevées : Cela rend la fabrication de titane pur et d'alliages de titane difficile et très contrôlée. La production de titane doit être réalisée dans des environnements anaérobies strictement contrôlés.

Mauvaise conductivité thermique : Le titane est un matériau à faible conductivité thermique, ce qui le rend difficile à traiter.

Quelles sont les applications du titane ?

Aérospatiale : Les alliages de titane sont appréciés dans l'industrie aérospatiale pour leur rapport résistance/densité élevé, leur résistance à la corrosion et leur capacité à supporter des températures modérées sans fluage.

Automobile : Le titane est privilégié dans l'industrie automobile en raison de sa faible densité, de son rapport résistance/poids élevé, de sa résistance à la corrosion et de sa résistance à la chaleur.

Industriel : Le titane est largement utilisé dans les environnements industriels en raison de sa grande solidité, de sa résistance à la corrosion, de sa légèreté et de sa durabilité. Ses applications comprennent les échangeurs de chaleur, les vannes, les tuyaux et les bielles.

Médical : Le titane est non toxique et biocompatible avec les os humains, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications médicales. Il possède des propriétés inhérentes à l'intégration osseuse et peut être utilisé pour des implants dentaires qui peuvent durer plus de 30 ans, ce qui est également utile pour les applications d'implants orthopédiques.

Effets du titane sur la santé et l'environnement

Effets du titane sur la santé : Le titane métallique est un matériau biocompatible qui présente une excellente biocompatibilité et n'est pas toxique. Il est couramment utilisé dans les instruments médicaux et les implants et n'a pas d'effets nocifs sur le corps humain.

Effets du titane sur l'environnement : Le titane ne libère pas de substances toxiques, ce qui permet d'éviter tout impact négatif sur l'environnement. Toutefois, au cours du processus de production du titane, certains déchets ou émissions de gaz d'échappement peuvent être générés. Néanmoins, grâce à une gestion efficace et à des mesures de traitement proactives, l'impact sur l'environnement peut être minimisé dans la mesure du possible.

FAQ

Quel est le coût du titane ?

Le coût du titane commercial pur est d'environ $23-25 par kilogramme, tandis que le coût des alliages de titane est d'environ $27-30 par kilogramme.

Quelle est la qualité de titane la moins chère ?

Actuellement, le titane de grade 1 est relativement moins cher, principalement en fonction des exigences d'application spécifiques et des conditions d'approvisionnement du marché.

Quelle qualité de titane est utilisée pour l'anodisation ?

Le titane de grade 2 et de grade 3 peut être utilisé pour le traitement d'anodisation.

Le titane est-il inoxydable ?

Oui, les alliages de titane ont une excellente résistance à la corrosion et peuvent supporter l'érosion de nombreux produits chimiques.

Le titane est-il magnétique ?

D'une manière générale, le titane pur est typiquement non magnétique car sa structure cristalline ne permet pas le magnétisme. Toutefois, certains alliages de titane peuvent présenter du magnétisme, en fonction des types et des concentrations d'éléments d'alliage.

Le titane est-il à l'épreuve des balles ?

Oui, le titane est à l'épreuve des balles pour les armes de poing et les fusils de chasse, mais pour les équipements militaires, le titane n'est pas à l'épreuve des balles.

Quelle est la différence entre le titane et l'aluminium ?

Caractéristiques du matériau : Le titane présente une solidité et une résistance à la corrosion supérieures à celles de l'aluminium, tout en étant plus léger, mais il est plus coûteux. L'aluminium est un métal léger qui présente une bonne conductivité thermique et électrique et dont le coût est inférieur à celui du titane.

Applications : Le titane est couramment utilisé dans des applications nécessitant une grande solidité et une résistance à la corrosion, telles que l'aérospatiale et les appareils médicaux. L'aluminium a une gamme plus large d'applications, notamment dans l'aérospatiale, l'automobile, la construction et l'électronique.

Difficulté de traitement : En raison de sa solidité et de sa résistance à la corrosion plus élevées, le titane est plus difficile à traiter et nécessite des équipements et des techniques de traitement de haut niveau. En revanche, l'aluminium est relativement facile à traiter et peut être usiné et formé à l'aide de méthodes conventionnelles.

Quelle qualité de titane est utilisée pour l'impression 3D ?

Le titane de grade 5, également connu sous le nom de Ti-6Al-4V, est couramment utilisé dans l'impression 3D en raison de son excellent rapport résistance/poids et de sa biocompatibilité.

Conclusion

Cet article présente ce qu'est le titane, l'histoire de son développement, les types de titane, la classification des qualités de titane, des informations de base sur ses caractéristiques, etc. Le processus de formation des alliages de titane est principalement expliqué à l'aide de la méthode de Kroll, ainsi que les avantages et les inconvénients du titane et ses domaines d'application.

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