Les alliages de titane utilisés en aérospatiale sont principalement classés en trois types selon leur microstructure et leurs caractéristiques de performance : les alliages de titane de type α (y compris les alliages quasi-α), les alliages de titane de type α+β et les alliages de titane de type β. Les États-Unis disposent d’un système de matériaux en alliages de titane aérospatiaux particulièrement performant, offrant une gamme complète de nuances. Ces matériaux comprennent des alliages capables de fonctionner à des températures élevées, jusqu’à 600 °C, tels que le Ti-1100, et des alliages de type β à haute résistance et haute ténacité, comme le Ti-10-2-3 (Ti-10V-2Fe-3Al).
Les alliages de titane de type alpha présentent une excellente résistance au fluage et une bonne soudabilité, ce qui en fait le choix privilégié pour les composants en alliage haute température . Par exemple, le Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si) est largement utilisé dans les pièces rotatives telles que les aubes et les rotors des moteurs à turbines à gaz. L'alliage de titane α+β représentatif, le Ti-6Al-4V, est l'alliage de titane le plus utilisé dans l'aérospatiale, représentant environ 60 % de tous les produits en alliage de titane. Il possède une résistance à la traction minimale de 896 MPa et présente d'excellentes propriétés de résistance à la fatigue et à la rupture. Les alliages de titane de type β, comme le Ti-15-3 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al), présentent une résistance nettement accrue après traitement thermique, la résistance des plaques atteignant σb ≥ 1310 MPa. Ils sont largement utilisés dans les composants structuraux et les systèmes de tuyauterie des aéronefs.
Le développement de ces alliages de titane pour l'aérospatiale progresse vers une résistance accrue aux hautes températures, un rapport résistance/ténacité amélioré et des propriétés spécifiques telles que l'ignifugation. Notamment, certains alliages aérospatiaux incorporent des métaux précieux afin d'optimiser leur stabilité à haute température et leurs performances mécaniques.
L' industrie du recyclage du titane fait également évoluer ses technologies de récupération et ses structures de prix en réponse à ces innovations dans le domaine des alliages aérospatiaux.
Les alliages de titane utilisés dans l'aérospatiale sont principalement employés dans les moteurs d'avion, où ils peuvent représenter plus de 30 % du poids du moteur. Des composants clés tels que les disques de soufflante et les aubes de turbine , les disques et aubes de compresseur, ainsi que les carters de moteur, font largement appel à ces alliages.
Dans les sections de compresseur, les alliages de titane ont remplacé les aciers, permettant une réduction de poids significative tout en garantissant une résistance aux températures de fonctionnement de 300 à 550 °C. Les alliages de titane haute température développés en Europe et aux États-Unis, tels que le Ti-1100 et l'IMI834, peuvent fonctionner jusqu'à 600 °C et sont spécialement conçus pour la fabrication de composants haute température de moteurs. L'alliage IMI834, développé au Royaume-Uni, après traitement de mise en solution et vieillissement en phase β-2, présente une résistance à température ambiante σb ≥ 930 MPa, ainsi qu'une excellente résistance au fluage et à la fatigue. Il est utilisé dans les disques de turbine des compresseurs moyenne et haute pression du moteur RR Trent 800.
Dans les moteurs d'avions russes , les alliages de titane représentent jusqu'à 36 % des composants. Fonctionnant dans des conditions extrêmes, ces pièces de moteur exigent une résistance thermique et une solidité exceptionnelles — des propriétés qui font des alliages de titane aérospatiaux les matériaux de base privilégiés pour les moteurs.
Les alliages de titane aérospatiaux sont également largement utilisés dans les systèmes de tuyauterie, les raccords et les réservoirs sous pression des systèmes hydrauliques et de carburant des aéronefs. Dans ces systèmes, l'alliage Ti-3Al-2,5V est couramment employé dans les systèmes de tuyauterie hydraulique haute pression fonctionnant jusqu'à 28 MPa, remplaçant l'acier inoxydable 21-6-9 et permettant une réduction de poids de 40 %.
Le système de commande des applications du Boeing 777 utilise la tuyauterie en alliage Ti-15-3 au lieu du titane CP d'origine, moins résistant, ce qui permet un gain de poids de 63,5 kg par appareil. Les applications des alliages de titane dans les systèmes de carburant comprennent également les structures soudées des accumulateurs hydrauliques et des réservoirs de carburant. L'alliage VT43, développé en Russie, est spécifiquement conçu pour la fabrication de structures soudées dans les bouteilles de gaz, les accumulateurs hydrauliques et les réservoirs de carburant destinés aux équipements aérospatiaux.
Ces composants de systèmes tirent parti de la haute résistance spécifique, de la résistance à la corrosion et des propriétés de fatigue des alliages de titane aérospatiaux pour garantir un fonctionnement fiable des aéronefs dans des conditions complexes. Certains alliages de titane aérospatiaux spécialisés incorporent des métaux précieux pour améliorer leur stabilité à long terme dans les environnements corrosifs.
L'importance des alliages de titane dans l'aérospatiale réside dans leur combinaison unique de propriétés. Ils possèdent une résistance spécifique élevée, étant environ 40 % plus légers que l'acier tout en offrant une résistance équivalente – un atout crucial pour l'industrie aérospatiale qui recherche la légèreté. Les alliages de titane présentent une large plage de températures de fonctionnement, conservant des performances stables des températures cryogéniques jusqu'à 600 °C.
Plus un aéronef est perfectionné, plus sa teneur en titane est élevée. Par exemple, le chasseur américain F-22 de quatrième génération contient 41 % de titane, ce qui en fait l'aéronef présentant la plus forte teneur en titane. Sur le Boeing 777, des alliages de titane sont utilisés pour fabriquer les ailerons formés de panneaux thermoformés, car leur coefficient de dilatation thermique est bien adapté à celui de la fibre de carbone, évitant ainsi les problèmes de corrosion électrochimique qui surviennent au contact de l'aluminium et du graphite.
D'un point de vue économique, si les alliages de titane aérospatiaux présentent des coûts initiaux plus élevés, l'optimisation des conceptions et des procédés – comme pour l'alliage russe VT43 – permet de réduire les coûts de 20 %, la consommation d'énergie liée au traitement thermique de 50 %, ainsi que la charge de travail liée au traitement sous pression de 20 % et celle liée à l'usinage de 30 %. Ces propriétés font des alliages de titane aérospatiaux des matériaux clés indispensables dans l'industrie aérospatiale moderne. Certains alliages de titane aérospatiaux haute performance contiennent des métaux précieux, ce qui garantit leur fiabilité dans des environnements extrêmes et les rend très recherchés par les entreprises de recyclage des métaux précieux .
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