Titane Alliages d'aluminium
Table des matières
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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