Titane Alliages d'aluminium

Vue d'ensemble

Titane Alliages d'aluminium sont une classe de matériaux métalliques contenant un mélange de titane et d'aluminium. Ils sont légers, ont une résistance élevée et une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation à haute température.

Les alliages TiAl sont considérés comme un matériau structurel à haute température important 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 résistance et 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, bien inférieur aux alliages de nickel
La force	Conserve une haute résistance à des températures allant jusqu'à 750°C
Rigidité	Module d'élasticité élevé d'environ 160 GPa
Ductilité	Fragile à température ambiante mais 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	Forme une couche d'oxyde protectrice résultant en 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 de titane et d’aluminium

Il existe deux principaux types d’alliages de titane et d’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 comme 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, résistance, 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 haute résistance à la traction mais ont une ductilité et une ténacité inférieures à celles des alliages gamma TiAl.

Les alliages Alpha-2 sont généralement utilisés dans les applications à très haute température supérieure à 800°C, comme dans les turbocompresseurs.

Composition des Titane Alliages d'aluminium

Les alliages de titane et d'aluminium contiennent du titane comme composant principal, ainsi que de l'aluminium et de petites quantités d'autres éléments. Voici la gamme de composition type :

Élément en alliage	Gamme de composition	Rôle
Titane (Ti)	52-56%	Élément de base primaire
Aluminium (Al)	44-48%	Élément d'alliage principal avec Ti
Niobium (Nb)	Jusqu'à 2%	Augmente la résistance 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 pour obtenir la bonne microstructure et les bonnes propriétés de l’alliage.

Propriétés clés des alliages de titane et d'aluminium

Propriétés de résistance de l'alliage d'aluminium et de titane

Propriété	Valeur	Description
Résistance à la traction	500 – 1 100 MPa	Très haute résistance par rapport aux alliages de titane
Limite d'élasticité (décalage de 0,2%)	400 – 1 000 MPa	Mesure de la résistance élastique d'un alliage
Résistance à la compression	600 – 1 500 MPa	Excellente résistance à la compression
Résistance au fluage	100 – 350 MPa	Capacité à résister à des charges à haute température
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 HT	Mesure de résistance à l'indentation
Module de Young	150 – 160 GPa	Mesure de rigidité
Module de cisaillement	60 – 65 GPa	Mesure de rigidité
Rapport de Poisson	0.25 – 0.34	Rapport relatif à la déformation dans les directions perpendiculaires et parallèles à la charge appliquée
Usinabilité	Difficile	Difficile à usiner 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. Certaines utilisations clés sont :

Utilisations dans l'industrie aérospatiale

• Composants de moteur d'avion comme les pales, les disques, les capots d'entrée d'air
• Structures de cellules et d'ailes d'avions à grande vitesse
• Pièces de véhicules spatiaux grâce à 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 hautes performances
• Composants de sport automobile comme les bielles et les soupapes

Autres applications

• Pièces de moteurs de turbine à gaz, production d'énergie et applications marines
• Implants biomédicaux comme les articulations artificielles de la hanche
• Articles de sport comme les cadres de vélo, les clubs de golf

Voici une comparaison de l’utilisation des alliages de titane et d’aluminium par rapport aux alternatives :

Application	Alliages TiAl	Matériaux alternatifs
Moteurs d'avion	✅ Son excellent rapport résistance/poids jusqu'à 750 °C le rend adapté aux pales, aubes et arbres.	Les superalliages de nickel ont une capacité de température plus élevée mais sont plus lourds
Turbocompresseurs automobiles	✅ Bon équilibre entre haute résistance, résistance à la température et densité inférieure à celle des alliages de nickel.	Les alliages de nickel peuvent résister à des températures maximales plus élevées
Cellules d'avion	✅ 20-35% plus léger que les alliages de titane avec une résistance équivalente pour les ailes, la queue et le fuselage des avions.	Les alliages de titane offrent une ténacité plus élevée
Implants biomédicaux	✅ Contient du titane qui permet une liaison naturelle à l'os humain	L'acier inoxydable et les alliages de chrome-cobalt sont également couramment utilisés.

Normes et spécifications de l'industrie

Certaines normes industrielles largement utilisées pour les alliages de titane et d’aluminium sont :

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 standard pour les barres, tiges et fils en aluminures de titane alpha-bêta ou bêta
OIN 21365	Spécification pour les alliages structurels gamma TiAl
ASTMB381	Classification standard des alliages 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.

Certaines qualités courantes de titane et d'aluminium sont :

• Ti-48Al-2W-0,5Si (AMS 4928)
• Ti-47Al-2Cr-2Nb (ISO 21365 niveau 5)
• Ti-45Al-5Nb-0,2C-0,2B (AMS 4965 niveau 5)

Fournisseurs et coûts

Certains principaux fournisseurs mondiaux d’alliages de titane et d’aluminium comprennent :

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 personnalisés	$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 de titane et d'aluminium

Avantages et bénéfices

• Résistance spécifique très élevée – rapport résistance/poids élevé
• Excellente rétention de résistance jusqu'à 750°C
• Bonne résistance environnementale – oxydation, brûlure et corrosion
• Coût inférieur à celui des superalliages de nickel et de cobalt
• Une certaine maniabilité à chaud pour le forgeage, le laminage

Lacunes et limites

• Difficultés de traitement – travail à chaud ainsi que usinage
• Comportement fragile à température ambiante
• Ténacité à la rupture relativement faible
• Température maximale d'utilisation limitée à 750°C
• Soumis à l'absorption d'hydrogène et d'humidité

Voici une comparaison des avantages et des inconvénients par rapport aux alternatives :

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 au-dessus de 800°C	Mauvais au-dessus de 550°C
Coût	✅ Inférieur	Le plus élevé	Plus élevé
Aptitude au travail	Pauvre	Bon	✅ Meilleur
Tolérance aux dommages	Pauvre	Bon	✅Excellent

FAQ

Q : Que sont les aluminures 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 ont un arrangement lamellaire ordonné d’atomes de Ti et d’Al. 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 d'avion plus légers et plus efficaces en utilisant du TiAl au lieu d'alliages de nickel beaucoup plus lourds.

Q : Quels sont quelques exemples de composants de turbocompresseur TiAl ?

R : Les alliages TiAl sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des roues et des carters de turbocompresseur dans les moteurs de voitures diesel et essence hautes performances. La faible densité et la résistance à la température offrent une densité de puissance et une efficacité plus élevées.

Q : Quels sont les principaux défis liés à l’utilisation des alliages TiAl ?

R : La difficulté de traitement via le moulage, le forgeage et l'usinage, ainsi que la fragilité intrinsèque à température ambiante et la tolérance aux dommages inférieure à celle des alliages concurrents créent des obstacles à l'adoption. Cependant, les méthodes de traitement et le développement des alliages continuent de progresser.

Q : Quelle est la limite typique de teneur en oxygène pour les alliages TiAl ?

R : L'oxygène est limité à moins de 0,21 TP3T dans les alliages TiAl. Des niveaux d’oxygène plus élevés ont un impact négatif sur la ductilité. Des méthodes avancées de fusion et de coulée sont utilisées pour contrôler la capture de l’oxygène.

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Additional FAQs about Titanium Aluminum Alloys (5)

1) How do small alloying additions (Nb, Cr, B, C) change TiAl performance?

• Nb improves creep and oxidation resistance; Cr enhances oxidation; B and C refine lamellae and grain size, raising strength but may reduce room‑temperature ductility if overused. Typical optimized ranges: Nb 1–2 at%, Cr 1–2 at%, B 0.05–0.2 at%, C 0.05–0.2 at%.

2) What joining methods are most reliable for Titanium Aluminum Alloys?

• Diffusion bonding, transient liquid phase bonding, and brazing with Ti‑based fillers are common. Electron beam welding and laser welding are feasible with controlled preheat/post‑weld heat treatment to mitigate cracking and preserve lamellar microstructure.

3) Can TiAl be additively manufactured with consistent properties?

• Yes. With EBM or laser PBF using tailored preheats and scan strategies, near-net parts can achieve >99% relative density. Post-build HIP plus heat treatment restore lamellar morphology and improve fatigue/creep.

4) What surface treatments improve oxidation and wear of TiAl?

• Aluminizing, TiAlN/TiN PVD coatings, and pack cementation coatings reduce high‑temp oxidation and wear. Shot peening can introduce compressive stresses to improve fatigue, but parameters must avoid surface microcracking.

5) How does microstructure (fully lamellar vs duplex) influence properties?

• Fully lamellar structures maximize high‑temperature strength and creep resistance; duplex (lamellar + gamma) improves room‑temperature toughness and machinability. Choice depends on service temperature and damage tolerance needs.

2025 Industry Trends for Titanium Aluminum Alloys

• Aero engine adoption widens: More low‑pressure turbine (LPT) blades and structural cases in γ‑TiAl, enabled by improved casting yield and defect screening.
• AM TiAl moves toward production: EBM/PBF parameter sets and HIP cycles are standardized at select OEMs; powder specifications tighten for oxygen and PSD control.
• Cost stabilization with capacity additions: Additional melt/casting capacity in EU/Asia reduces lead times for Ti‑47/48Al‑2Cr‑2Nb variants.
• Coating synergy: Advanced environmental barrier coatings (EBCs) for 700–800°C operations extend component life in mixed oxide/sulfate environments.
• Sustainability focus: Buy‑to‑fly ratios improved via near‑net casting/AM; more producers publish EPDs with recycled Ti feedstock content.

2025 snapshot: Titanium Aluminum Alloys metrics

Métrique	2023	2024	2025 YTD	Notes/Sources
Typical γ‑TiAl blade casting yield (%)	55–65	60-70	65–75	OEM casting improvements; NDE refinements
AM TiAl powder O (wt%) spec (max)	0.10–0.15	0.08–0.12	0.07–0.10	Powder supplier specs; ISO/ASTM 52907 practices
HIPed AM TiAl density (% relative)	99.2–99.6	99.3–99.7	99.4–99.8	EBM/PBF + HIP datasets
Market price, Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb (USD/kg)	85–125	90–135	88–130	Distributor quotes; volume-dependent
Lead time, investment cast blades (weeks)	26–40	28–44	22–36	Added capacity; process yield gains
Share of TiAl in new LPT blade programs (%)	~6	~8	~10	Industry disclosures, conference papers

References:

• ISO/ASTM 52907 feedstock practices: https://www.iso.org
• ASTM F42 AM committee resources: https://www.astm.org/committee/f42
• OEM/coating supplier technical notes and conference proceedings (AMUG/ASME Turbo Expo)

Latest Research Cases

Case Study 1: EBM‑Manufactured γ‑TiAl LPT Blades with Standardized HIP (2025)
Background: Engine OEM pursued weight reduction and shorter lead times versus wrought/cast routes.
Solution: Developed EBM parameter windows for Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb with high‑temperature preheat, followed by HIP (≈1250°C/2–4 h, 100–150 MPa) and duplex heat treatment to restore lamellae. In‑situ monitoring and CT‑based acceptance criteria were implemented.
Results: 28% mass reduction versus Ni superalloy baseline; relative density 99.6–99.7%; HCF life +15% at 650–700°C after HIP; scrap rate fell to 6% with revised supports.
Source: OEM AM program summary and ASTM F42 presentations.

Case Study 2: Coating‑Enhanced TiAl Turbocharger Wheel Durability (2024)
Background: Automotive supplier faced hot corrosion and FOD wear in downsized turbo engines.
Solution: Applied PVD TiAlN topcoat over diffusion aluminide bond layer on cast Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb wheels; optimized grit‑blast and heat treatment to maintain microstructure.
Results: Oxidation mass gain reduced 35% at 750°C (100 h cyclic); spin test burst margin +8%; field warranty returns for tip wear decreased 40% over 12 months.
Source: Supplier whitepaper and joint university lab testing.

Avis d'experts

• Prof. Peter D. Lee, Chair in Materials Design, University College London
  Key viewpoint: “Defect control—especially shrinkage porosity and oxygen‑driven embrittlement—is the gating factor for scaling TiAl. Integrated NDE and melt cleanliness are as important as alloy chemistry.”
• Dr. Steven A. Shackelford, Materials Fellow, Rolls‑Royce
  Key viewpoint: “Fully lamellar γ‑TiAl delivers excellent high‑temperature strength, but component‑level durability hinges on coating systems and edge protection strategies.”
• Dr. Martina Seifert, Head of AM Materials, GE Additive
  Key viewpoint: “For AM TiAl, tight powder oxygen specs and reproducible HIP/heat‑treat cycles now make serial production realistic for select hot‑section hardware.”

Citations: University/industry publications and conference talks: https://www.ucl.ac.uk, https://www.rolls-royce.com, https://www.ge.com/additive

Practical Tools and Resources

• Standards and specs:
• ISO 21365 (structural γ‑TiAl), AMS 4965/4928 families: https://www.iso.org, https://www.sae.org
• Additive manufacturing guidelines:
• ISO/ASTM 52907 (metal powders), ASTM F3301 (PBF process control): https://www.astm.org
• Materials/property data:
• ASM Handbooks Online and Materials Project entries: https://www.asminternational.org, https://materialsproject.org
• NDE and quality:
• CT/X‑ray practice (ASTM E1441) and porosity evaluation guides: https://www.astm.org
• Coating references:
• PVD/CVD and diffusion coating primers via journal publishers and OEM tech notes (ASME Turbo Expo proceedings)

Notes on reliability and sourcing: Specify chemistry and interstitial limits (O, N, H), target microstructure (fully lamellar vs duplex), and mandatory NDE (CT, FPI). For AM, enforce powder lifecycle controls and HIP/heat treatment records; for castings, require inclusion cleanliness and CT‑based acceptance criteria aligned to criticality.

Last updated: 2025-10-15
Changelog: Added 5 targeted FAQs, 2025 trend snapshot with data table and sources, two recent case studies, expert viewpoints with attributions, and a curated tools/resources section focused on Titanium Aluminum Alloys and AM/casting practices
Next review date & triggers: 2026-02-15 or earlier if ISO/AMS standards update, TiAl powder O-specs change, new OEM programs announce TiAl LPT adoption, or coating durability data shifts recommended practices