Depuis sa découverte au début du XXe siècle, le titane métallique a été largement étudié et appliqué en raison de sa faible densité relative, de sa bonne résistance à la chaleur et à la corrosion, ainsi que de sa haute résistance structurelle. Comparés aux métaux purs, les alliages de titane possèdent davantage de caractéristiques supérieures, ce qui les rend utilisables dans divers contextes.
Le titane est un métal blanc argenté, classé parmi les métaux légers rares. Son point de fusion est de 1668 °C, passant de la phase β avec une structure cristalline cubique centrée à la phase α avec une structure cristalline hexagonale compacte, ou inversement. Le point de transition de phase est de 882 °C. Comparé à d’autres métaux, le titane possède des caractéristiques uniques tant sur le plan chimique que mécanique.
Faible densité et haute résistance spécifique
La densité du titane métallique est de 4,51 g/cm³, supérieure à celle de l’aluminium mais inférieure à celle de l’acier, du cuivre et du nickel. Toutefois, la résistance spécifique du titane est supérieure à celle des alliages d’aluminium et des aciers à haute résistance. Une haute résistance spécifique signifie que le matériau est léger et de haute résistance, faisant du titane un matériau de structure métallique léger et de haute solidité. Cette caractéristique a conduit à une adoption massive du titane dans le développement des technologies de pointe telles que l’aéronautique, l’astronautique, les missiles et les armements. Dans l’industrie générale, il est utilisé par exemple dans les anneaux de protection des générateurs à rotation rapide, les grandes pales des turbines à vapeur, les vélos haut de gamme, les clubs de golf, les perches de saut à la perche, etc.
Module d’élasticité faible
Le module d’élasticité du titane à température ambiante est de 106,4 GPa, soit 57 % de celui de l’acier. Cela indique que la résistance du titane à la déformation élastique est inférieure à celle de l’acier, limitant son utilisation et le rendant moins adapté pour des composants de structure rigides. Cependant, dans les échangeurs de chaleur à tubes longs en titane, la conception avec des plaques a surmonté le défaut de rigidité extrêmement faible, offrant de bons résultats même dans des conditions de vibration.
Faible coefficient de conductivité thermique
Le mécanisme principal de transfert de chaleur dans le titane métallique est la conduction électronique, suivie par la conduction par le réseau cristallin. Les tests réels montrent que le coefficient de conductivité thermique du titane est de 0,1507 W/(m·K), soit un cinquième de celui de l’acier au carbone et un vingt-cinquième de celui du cuivre, proche de celui de l’acier inoxydable. Bien que le coefficient de conductivité thermique du titane soit faible, il peut être utilisé pour fabriquer des clous d’escalade. Ces clous en titane sont non seulement légers, mais ne conduisent pas la chaleur par friction, ce qui en fait un matériau idéal pour les alpinistes.
Résistance à la traction et résistance d’écoulement proches
Le rapport résistance à la traction/résistance d’écoulement est élevé pour le titane, ce qui entraîne une faible déformation plastique lors de la mise en forme des matériaux métalliques en titane. De plus, le ratio entre la limite d’élasticité et le module d’élasticité étant élevé, le titane présente une forte capacité de rebond lors de la mise en forme. Cette caractéristique permet de trouver les conditions optimales de traitement et de mise en forme – la mise en forme à chaud – évitant les contraintes et fissures dues à la forte capacité de rebond et au haut ratio résistance d’écoulement du titane, ainsi que l’absorption d’hydrogène supérieure à 400 °C lors de la fragilisation par l’hydrogène. C’est également l’une des raisons pour lesquelles l’utilisation des équipements en titane dans l’industrie générale spécifie que la température ambiante ne dépasse pas 315 °C.
Non magnétique et non toxique
Le titane est un métal non magnétique qui ne se magnétise même dans des champs magnétiques très forts. Les stimulateurs cardiaques en titane ne sont pas affectés par les orages et possèdent une bonne compatibilité avec les tissus humains et le sang, ce qui les rend adoptés par le milieu médical.
Excellentes performances de résistance aux vibrations
Comparé au fer et au cuivre, le titane métallique a le temps de décroissance de vibration le plus long lorsqu’il est soumis à des vibrations mécaniques ou électriques. Cette propriété permet d’utiliser le titane pour des diapasons, des éléments vibrants de broyeurs ultrasonores en médecine et des membranes vibrantes pour des haut-parleurs de haute qualité.
Bonne résistance à la chaleur
Les nouveaux alliages de titane peuvent être utilisés à long terme à des températures de 600 °C ou plus. Avec le développement des industries aéronautique et spatiale, les disques, les pales, le post-carcasse, les guidages et les enroulements d’admission utilisent des alliages de titane résistants à la chaleur.
Bonne résistance au froid
Les alliages de titane à basse température tels que Ti-5Al-2,5Sn, Ti-6Al-4V et Ti-2,5Zr-1,5Mo voient leur résistance augmenter à mesure que la température baisse, sans changements significatifs de plasticité. Ils conservent une bonne ductilité et ténacité entre -196 °C et -253 °C, évitant ainsi la fragilité du métal par le froid, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les réservoirs à basse température, les cuves, etc.
Haute réactivité
Le titane est un métal chimique très réactif, pouvant réagir avec de nombreux éléments et composés à haute température. La réactivité du titane fait principalement référence à sa capacité à réagir avec le carbone, l’hydrogène, l’azote et l’oxygène à haute température.
Excellente résistance à la corrosion
Le titane est un métal très réactif avec un potentiel d’équilibre très bas, ce qui indique une forte tendance à la corrosion thermique dans les milieux. Cependant, en réalité, le titane est très stable dans de nombreux milieux, tels que les environnements oxydants, neutres et légèrement réducteurs. Cela est dû à la grande affinité entre le titane et l’oxygène, qui permet la formation, dans l’air ou dans des milieux contenant de l’oxygène, d’une couche d’oxyde dense, fortement adhérente et très inerte à la surface du titane. Cette couche protège le substrat en titane de la corrosion. Même en cas d’usure mécanique, cette couche s’auto-répare ou se régénère rapidement, ce qui démontre que le titane est un métal ayant une forte tendance à la passivation.
Stanford Advanced Materials Corporation (SAM) propose une variété de produits en titane, y compris des métaux de titane, des alliages de titane et des composés de titane.
