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Caractéristiques technique du Titane

Caractéristiques technique du Titane

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Extrait de wikipedia

 

Propriétés Physique de base

 

Caractéristiques physiques remarquables du titane :
  • Sa masse volumique est environ 60 % de celle de l’acier.
  • Sa tenue à la corrosion est exceptionnelle dans de nombreux milieux tels que l’eau de mer ou l’organisme humain.
  • Ses caractéristiques mécaniques restent élevées jusqu’à une température d’environ 600°C et restent excellentes jusqu’aux températures cryogéniques.
  • Sa transformation en demi-produits et en pièces de formes différentes par les techniques usuelles (forage, emboutissage, filage, coulée, soudage, usinage, etc.) est raisonnablement aisée.
  • Il est disponible sous des formes et des types de produits très variés : lingots, billettes, barres, fils, tubes, brames, tôles, feuillard.
  • Il est non magnétisable.
  • Son coefficient de dilatation, légèrement inférieur à celui de l’acier, est moitié moins que celui de l’aluminium. On prendra pour valeur moyenne un coefficient de dilatation de 10,5 ×10-6 K-1. Son module de Young est très proche de celui des structures osseuses.
Propriétés cristallographiques

Le titane pur est le siège d’une transformation allotropique de type martensitique au voisinage de 882 °C.

En-dessous de cette température, la structure est hexagonale pseudo-compacte (a=0,295nm ; c = 0,468 nm : c/a = 1,633) et est appelée Ti α (groupe d'espace 194 / P63/mmc).

Au dessus de cette température la structure est cubique centrée (a=0,332 nm) et est appelée Ti β.

La température de transition α→β est appelée transus β.
La température exacte de transformation est largement influencée par les éléments substitutifs et interstitiels. Elle dépend donc fortement de la pureté du métal. Structure cristallographique des mailles α et β du titane.

Isotopes

On trouve le titane sous la forme de 5 isotopes dans la nature: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti. Le 48Ti représente l'isotope majoritaire avec une abondance naturelle de 73,8%. 11 radioisotopes ont été observés, le plus stable le 44Ti possède une demi-vie de 63 ans.

L'activité photocatalytique de TiO2 est fortement affectée par sa cristallinité et dimension particulaire (Pecchi et al, 2001).
La modification d'anatase est seulement suffisamment active dans la photocatalyse ayant une énergie Ebg d’espace de bande de 3,2 eV.

Hombikat UV-100 TiO2 se compose de la modification pure d'anatase et ses particules ont une superficie de PARI d'environ 186 m2 g-1 (en appliquant la théorie de Brunauer-Emmett-Teller d'adsorption de gaz pour la détermination de l'isotherme d'adsorption).
Cependant, la majorité d'investigations ont été effectuées en utilisant Degussa P-25 TiO2. Ce matériel se compose au sujet de l'anatase 80% et du rutile 20% et à une surface spécifique de BET à peu près 55 m2/g.

Le diamètre de ses particules se trouve habituellement entre 25 nm et 35 nm.

Oxydes

Monoxyde de titane TiO Trioxyde de dititane Ti2O3 Dioxyde de titane TiO2 Trioxyde de titane TiO3

 

  

Propriétés Mécaniques

 

Érosion

La couche d’oxyde très adhérente et dure explique la longévité de pièces en titane soumises aux chocs de particules en suspension dans les fluides. Cet effet est amplifié par la capacité qu'a cette couche de se régénérer. L'érosion dans l’eau de mer est augmentée par un débit plus élevé ou une granulométrie plus faible.

Résistance et ductilité

Le titane est considéré comme un métal ayant une résistance mécanique importante et une bonne ductilité dans les conditions standard de température. Sa résistance spécifique (rapport résistance à la traction / densité) surclasse l’aluminium et l’acier.

Sa résistance est inversement proportionnelle à la température avec un replat entre -25°C et 400°C.
En dessous de -50°C, dans les domaines de températures cryogéniques, l’augmentation de résistance est spectaculaire ; néanmoins, elle s’accompagne d’une ductilité très basse.
Au dessus de 400°C, la résistance mécanique commence à diminuer.

Sans qu’il n’y ait aucun fondement théorique, l’endurance en fatigue vaut environ 70% de la résistance à la traction.

Usure et grippage

Jusqu’à ce jour aucune solution satisfaisante n’a encore été mise au point. On a essayé principalement l’oxydation, la nitruration, la boruration et la carburation. On se heurte à de nombreuses difficultés technologiques de réalisation et d’adhérence. Ajoutons que les traitements de surface du titane, modifiant la nature ou la structure de la surface, ne sont à employer qu’avec la plus grande prudence et après une étude approfondie de leur influence ; ils ont généralement un effet néfaste plus ou moins prononcé sur la résistance et la fatigue.

Biocompatibilité

Le titane est l’un des métaux les plus biocompatibles, avec l’or et le platine, c’est-à-dire qu’il résiste totalement aux fluides corporels. De plus, il possède une haute résistance mécanique et un module d’élasticité très bas, ce qui le rend compatible avec les structures osseuses. Le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a classé le dioxyde de titane dans le groupe 2B « susceptible d’être cancérigène pour l’humain » : Les études menées ne permettent pas de conclure.

Résistance au feu 

Sa résistance au feu, notamment d’hydrocarbures, est très bonne. Il a été démontré qu’un tube de 2 mm d’épaisseur pouvait sans dommage ni risque de déformation ou d’explosion supporter une pression de dix atmosphères tout en étant soumis à un feu d’hydrocarbures à une température de 600°C. Cela est dû en premier lieu à la résistance de la couche d’oxyde qui évite la pénétration de l’hydrogène dans le matériau. En outre, la faible conductivité thermique du titane protège plus longtemps les éléments internes d’une élévation de température.

  

Propriétés Chimiques

 

Corrosion classique du titane

Le titane est un métal extrêmement oxydable. Dans la série des potentiels électrochimiques standards, il se place au voisinage de l’aluminium, entre le magnésium et le zinc. Il n’est donc pas un métal noble, son domaine de stabilité thermodynamique ne présente, en effet, aucune partie commune avec le domaine de stabilité thermodynamique de l’eau et est situé fortement au-dessous de ce dernier. L’une des causes de la résistance à la corrosion du titane est le développement d’une couche protectrice passivante de quelques fractions de micromètre, constituée majoritairement d’oxyde TiO2, mais il est reconnu qu’elle peut contenir d’autres variétés. Cette couche est intègre et très adhérente. En cas de rayure de la surface, l’oxyde se reforme spontanément en présence d’air ou d’eau. Il y a donc inaltérabilité du titane dans l’air, l’eau et l’eau de mer. De plus, cette couche est stable sur une large gamme de pH, de potentiel et de température. Des conditions très réductrices, ou des environnements très oxydants, ou encore la présence d’ions fluor (agent complexant), diminuent le caractère protecteur de cette couche d’oxyde ; les réactifs d’attaque pour relever les micrographies sont le plus souvent à base d’acide fluorhydrique. Lors d’une réaction par cet acide, il y a formation de cation titane (II) et (III). La réactivité des solutions acides peut néanmoins être réduite par l’adjonction d’agents oxydants et/ou d’ions lourds métalliques. L’acide chromique ou nitrique et les sels de fer, nickel, cuivre ou chrome sont alors d’excellents agents inhibiteurs. Cela explique pourquoi le titane peut être utilisé dans des procédés industriels et des environnements où les matériaux conventionnels se corroderaient. On peut bien entendu modifier les équilibres électrochimiques par adjonction d’éléments d’addition qui réduisent l’activité anodique du titane ; cela conduit à améliorer la tenue à la corrosion. Selon les desiderata de modifications, on ajoute des éléments spécifiques. Une liste non exhaustive de quelques adjuvants classiques est reprise ci-dessous : déplacement du potentiel de corrosion et renforcement du caractère de cathode : adjonction de platine, palladium ou rhodium ; accroissement de la stabilité thermodynamique et réduction de la propension à la dissolution anodique : adjonction de nickel, molybdène ou tungstène ; augmentation de la tendance à la passivation : adjonction de zirconium, tantale, chrome ou molybdène. Ces trois méthodes peuvent être combinées.

Corrosion spécifique du Titane 

Le titane est très peu sensible aux modes particuliers de corrosion tels que la corrosion caverneuse ou la corrosion par piqûre. Ces phénomènes ne sont observés qu’en cas d’utilisation dans un domaine proche d’une limite pratique de tenue à la corrosion générale. Les risques de corrosion sous contrainte apparaissent dans les conditions suivantes : à froid dans l’eau de mer (en présence d’entailles aiguës seulement) ; dans certains milieux particuliers tels que le méthanol anhydre ; à chaud, en présence de NaCl fondu. Les deux structures allotropiques se distinguent au niveau de la résistance à ce dernier type de corrosion ; le titane α y est fort sensible alors que le β quasiment pas.

 

  

Le procédé Kroll et l'Obtention du Titane Haute pureté

 

Le procédé Kroll

La première étape consiste à opérer une carbochloration sur le dioxyde de titane. Le produit est obtenu par action du chlore gazeux sur l’oxyde vers 800°C, le tout sur lit fluidisé selon la réaction : TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) → TiCl4(g) + 2 CO(g) Le tétrachlorure de titane, dont la température d’ébullition est de 136°C, est récupéré par condensation, décanté, filtré et purifié par distillation fractionnée. Le procédé de réduction qui s’ensuit consiste alors à faire réagir ce tétrachlorure en phase gazeuse sur du magnésium liquide selon la réaction : TiCl4 (g) + 2 Mg (l) → 2MgCl 2 (l) + Ti (s) La réaction est réalisée sous vide ou sous gaz inerte (argon). Le chlorure de magnésium est séparé par décantation, puis, dans une seconde étape, par distillation sous vide vers 900-950°C, ou par lavage à l’acide. Le titane obtenu est un solide poreux faisant penser à une éponge, d’où son nom d’éponge de titane. Depuis le début de sa mise en exploitation industrielle en 1945, le procédé Kroll n’a pas subi d’évolution notable dans son principe physico-chimique, si ce n’est dans le rendement de la réaction.

Élaboration du titane haute pureté

Une fois l’éponge obtenue, on la broie afin d’obtenir des copeaux de titane. Ce lot est ensuite homogénéisé dans un mélangeur soit sous gaz neutre soit sous aspiration violente, de manière à prévenir toute inflammation des fines de titane (particules d’une centaine de micromètre) pouvant conduire à la formation d’oxynitrure de titane fragilisant et insoluble dans le bain liquide. Le lot homogène est ensuite introduit dans la matrice d’une presse où il est comprimé à froid, sous forme de cylindre dense appelé compact. La densité relative du compact autorise alors toute manutention en vue de constituer une électrode par empilement de ces compacts, étage par étage, et soudage entre eux par plasma ou faisceau d’électrons. On fabrique ainsi une électrode primaire. Par la suite on fusionne les électrodes de titane par refusion à l’arc sous vide (VAR : Vacuum Arc Remelting). Cela revient à créer un arc électrique de faible voltage et haute intensité (30 à 40 V ; 20000 à 40000 A) entre le bas de l’électrode de titane et un creuset en cuivre refroidi par eau. Le bas de l’électrode s’échauffe et sa température passe au-delà du liquidus ; les gouttelettes de métal tombent alors dans un puits liquide contenu dans une gaine de métal que l’on nomme la peau du lingot. On refond ainsi le lingot plusieurs fois selon la pureté désirée. A chaque refusion, on augmente le diamètre des lingots ; ces derniers pèsent couramment entre 1 et 10 tonnes et ont un diamètre de 0,5 à 1 mètre.

Composés 

Bien que le titane métallique soit assez rare de par son prix, le dioxyde de titane est bon marché et largement répandu comme pigment blanc pour les peintures et les plastiques. La poudre de TiO2 est chimiquement inerte, résiste à la lumière du soleil et est très opaque. Le dioxyde de titane pur possède un indice de réfraction très haut, et une dispersion optique plus élevée que celle du diamant.

Précautions, toxicologie

Lorsqu'il est sous forme métallique divisée le titane est très inflammable, mais on considère généralement que les sels de titane sont sans danger. Les composés chlorés comme le TiCl4 et le TiCl3 sont corrosifs. Le titane peut s'accumuler dans les tissus vivants qui contiennent du silicium, mais il ne possède aucun rôle biologique connu.

 

Conclusion

 

Les propriétés du titane sont extrêmement variées. Il faut non seulement retenir la résistance à la corrosion, souvent associée à la résistance à l’érosion et au feu, la biocompatibilité mais aussi les excellentes propriétés mécaniques (résistance, ductilité, fatigue, etc.) qui permettent de concevoir des pièces plus fines et légères. Cet éventail attractif de propriétés explique le développement des applications dans les domaines aéronautique, aérospatial, chimique et médical. En outre, grâce à un meilleur rendement à la production, le titane est de plus en plus utilisé dans des applications courantes telle que l’industrie du sport ou de l’automobile.