Nouveaux procédés, technologies et applications du titane et des alliages de titane

1. Haute résistance. Les alliages de titane ont une très haute résistance, avec une résistance à la traction de 686 - 1176 MPa, alors que leur densité n'est qu'environ 60 % de celle de l'acier, leur résistance spécifique est donc très élevée.

2. Haute dureté. La dureté des alliages de titane (état recuit) est HRC 32 - 38.

3. Faible module élastique. Le module élastique des alliages de titane (état recuit) est de 1,078 × 10-1,176 × 10 MPa, soit environ la moitié de celui de l'acier et de l'acier inoxydable.

4. Excellentes performances à haute et basse température. À haute température, les alliages de titane peuvent toujours conserver de bonnes propriétés mécaniques et leur résistance à la chaleur est bien supérieure à celle des alliages d'aluminium, avec une large plage de températures de fonctionnement. Actuellement, la température de fonctionnement des nouveaux alliages de titane résistants à la chaleur- peut atteindre 550 - 600 degré ; à basse température, la résistance des alliages de titane augmente plutôt qu'à température ambiante et ils ont une bonne ténacité. Les alliages de titane à basse -température peuvent toujours maintenir une bonne ténacité à -253 degrés.

5. Forte résistance à la corrosion du titane. À des températures inférieures à 550 degrés dans l'air, le titane forme rapidement un film mince et dense d'oxyde de titane sur sa surface, de sorte que sa résistance à la corrosion dans l'atmosphère, l'eau de mer, l'acide nitrique, l'acide sulfurique et d'autres milieux oxydants et les alcalis forts est meilleure que celle de la plupart des aciers inoxydables.

2.1 Méthodes de préparation du titane
Bien que le titane soit relativement abondant dans la nature, il s’agit d’un métal rare en raison de son existence dispersée et de ses difficultés d’extraction. Actuellement, la préparation du titane peut être divisée en deux grandes catégories : la méthode de réduction thermique et la méthode d’électrolyse aux sels fondus.

(1) Méthode de réduction thermique pour préparer le titane : La méthode de réduction thermique consiste à réduire le titane de ses composés tels que TiCl4, TiO2 et K2TiF6 à une certaine température en utilisant des agents réducteurs puissants comme Li, Na, Mg, Ca et leurs hydrures. Selon les différents composés du titane, la méthode de réduction thermique pour préparer le titane peut être classée en trois catégories :

① Méthode d'oxydo--réduction des chlorures de titane, telle que le procédé Kroll, le procédé Hunter, le procédé Armstrong et le procédé EMR ;

② Méthode d'oxydo--réduction des oxydes de titane, telle que le processus OS, le processus PRP et le processus MHR ;

③ Méthode d'oxydo--réduction des titanates. Actuellement, seuls les procédés Kroll et Hunter ont été appliqués avec succès dans la production industrielle. Le procédé Kroll utilise du magnésium métallique pour remplacer le titane des chlorures, tandis que le procédé Hunter utilise du sodium métallique pour ce faire. De plus, le procédé Armstrong développé par l'International Titanium Powder Company à Chicago, aux États-Unis, est similaire au procédé Hunter et utilise également le sodium comme agent réducteur pour purifier le titane métallique. Les États-Unis ont commencé à réaliser une pré-production dans les usines en utilisant cette méthode.

(2) Méthode d’électrolyse aux sels fondus pour préparer le titane : En 1959, Kroll a prédit que l’électrolyse aux sels fondus remplacerait le procédé Kroll comme méthode principale de production de titane d’ici 5 à 10 ans. Au fil des ans, les instituts et laboratoires de recherche nationaux et étrangers ont développé plus d'une douzaine de nouvelles technologies pour préparer le titane par électrolyse de sels fondus. Ceux-ci peuvent être classés en trois catégories en fonction des matières premières :

① Électrolyse des titanates ;

② Électrolyse des chlorures de titane ;

③ Électrolyse des oxydes de titane, y compris le procédé FFC Cambridge, le procédé MER, le procédé USTB, le procédé QIT, le procédé SOM et l'électrolyse liquide ionique.

2.2 Nouvelles utilisations du titane
Depuis les années 1940, les utilisations du titane se sont développées rapidement et ont été largement appliquées dans les avions, les fusées, les missiles, les satellites artificiels, les vaisseaux spatiaux, les navires, l'industrie militaire, le domaine médical et l'industrie pétrochimique. Les dernières recherches ont montré que le corps humain contient une certaine quantité de titane et que le titane peut stimuler les phagocytes et renforcer la fonction immunitaire. Par conséquent, de nombreux laboratoires se consacrent au développement et à l'application du bio-titane.

3.1 Méthodes de préparation des alliages de titane

Le traitement traditionnel des alliages de titane adopte généralement des techniques de fusion et de coulée. Les dernières technologies de traitement sont classées comme suit :

(1) Technologie de formation de forme quasi-nette- ;

(2) Technologie de soudage par friction de fil ;

(3) Technologie de formage superplastique ;

(4) Technologie de simulation informatique pour la préparation et le traitement des matériaux. La technologie de formage quasi--net- comprend le formage au laser, le moulage de précision, le forgeage de précision, la métallurgie des poudres et le formage par pulvérisation, etc. La métallurgie des poudres est un nouveau processus de fabrication de composants en titane utilisant de la poudre de titane ou de la poudre d'alliage de titane comme matières premières, suivi du formage et du frittage. Premièrement, la poudre est produite, généralement par alliage mécanique, à l'aide d'un broyeur à boulets pour soumettre les matières premières à un impact, un broyage et une agitation intenses. Ensuite, la poudre d'alliage formée est mise en forme, avec deux méthodes de pressage : le pressage isostatique et le pressage à froid. Le but de cette étape est d'obtenir un flan pressé d'une certaine forme et taille avec une certaine densité et résistance. Ensuite, l'ébauche formée est soumise à un frittage au plasma par étincelle, où une puissance de frittage et une pression de pressage spécifiques sont appliquées à la poudre de frittage à travers des poinçons supérieur et inférieur et des électrodes électrifiées. Le processus est complété par l'activation de la décharge, la déformation plastique à chaud et le refroidissement pour obtenir des matériaux en titane hautes-performances. Par la suite, l'alliage de titane, après frittage au plasma, subit un traitement ultérieur, généralement un traitement thermique ou un traitement plastique.

3.2 Nouvelles applications des alliages de titane

Les alliages de titane ont d’abord été largement utilisés dans le domaine aérospatial, principalement pour la fabrication de moteurs d’avion ou de composants pneumatiques. Plus tard, avec le développement continu de la technologie, les alliages de titane sont entrés dans la vie des gens ordinaires et peuvent être trouvés dans les usines ou dans les appareils électroménagers. Actuellement, les pays et les institutions sont en concurrence pour développer de nouveaux alliages de titane à faible coût et à hautes performances. Les développements récents des alliages de titane se concentrent principalement sur les cinq aspects suivants.

(1) Alliages de titane médicaux

Les alliages de titane ont une faible densité et une bonne biocompatibilité, ce qui en fait des matériaux médicaux idéaux pouvant même être implantés dans le corps humain. Auparavant, les alliages de titane utilisés dans le domaine médical contenaient du vanadium et de l'aluminium, qui pouvaient nuire au corps humain. Cependant, récemment, des chercheurs japonais ont développé un nouveau type d’alliage de titane présentant une bonne biocompatibilité. Bien que cet alliage n'ait pas encore été produit en masse-, on pense que dans un avenir proche, des alliages de cette qualité- seront largement utilisés dans la vie quotidienne.

(2) Alliages de titane-ignifuges

Les alliages à base de titane-qui peuvent résister à la combustion sous certaines pressions, températures et débits d'air sont des alliages de titane-ignifuges. Les États-Unis, la Russie et la Chine ont successivement développé de nouveaux alliages de titane ignifuges. Les États-Unis ont appliqué ces-alliages de titane ignifuges aux moteurs car ils ne sont pas sensibles à la combustion, ce qui peut améliorer considérablement la stabilité du moteur.

(3) Alliages de titane de type -haute-résistance et haute-ténacité

Les alliages de titane de type - ont une résistance élevée, une bonne soudabilité et d'excellentes propriétés de travail à froid et à chaud. Les chercheurs ont utilisé cette propriété pour développer des alliages de titane de type - présentant des caractéristiques distinctes : de bonnes performances de travail à chaud, une bonne plasticité et une bonne soudabilité. De plus, après mise en solution et vieillissement, leurs propriétés mécaniques sont significativement améliorées. Actuellement, le Japon et la Russie ont développé de tels alliages de titane.

(4) Composés de titane-aluminium

Comparés aux alliages de titane généraux, les composés de titane -aluminium ont d'excellentes performances à haute -température, une bonne résistance à l'oxydation et au fluage, ainsi qu'une densité inférieure à celle des alliages de titane généraux. Ces caractéristiques exceptionnelles indiquent que les composés de titane -aluminium déclencheront une nouvelle tendance en matière d'alliages. Actuellement, les États-Unis ont synthétisé ce nouvel alliage composé de titane -aluminium et sont en train de le produire en série.

(5) Alliages de titane à haute-température

Les alliages de titane préparés en combinant des méthodes de solidification rapide et la métallurgie des poudres, à l'aide de composites renforcés de fibres ou de particules, possèdent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. La limite de température de service des alliages de titane à haute température-est beaucoup plus élevée que celle des alliages de titane ordinaires. Actuellement, les États-Unis ont développé de nouveaux -alliages de titane à haute température. (6) L'alliage titane -nickel, un alliage composé de titane et de nickel, est connu sous le nom d'« alliage à mémoire ». Lorsque cet alliage est transformé en une forme prédéterminée puis soumis à un traitement de mise en forme, s'il est déformé par une force extérieure, il peut retrouver son aspect d'origine avec juste un léger chauffage. Cet alliage peut être utilisé dans divers domaines tels que les instruments, les compteurs, les appareils électroniques, etc.