Alliages de titane dans l'aviation

Le transport aérien est devenu une composante intégrale de notre vie quotidienne, qu’il s’agisse de la logistique du fret aérien ou des voyages en avion. Lorsque nous levons les yeux vers le ciel et observons les aéronefs qui survolent nos têtes, une question naturelle se pose : quels matériaux sont utilisés pour construire les avions capables de transporter de telles charges massives et de fonctionner à haute altitude ?
Examinons ensemble les matériaux à l’origine de cette capacité remarquable.

Aperçu du titane

En 1948, DuPont a réussi à produire industriellement du titane sous forme de mousse par le procédé de réduction au magnésium, marquant ainsi une étape majeure dans l’histoire des matériaux à base de titane. Depuis lors, les alliages de titane sont largement utilisés dans divers secteurs industriels en raison de leurs propriétés physiques remarquables, notamment une résistance spécifique élevée, une excellente résistance à la corrosion et une résistance thermique supérieure .

Le titane est un élément abondant dans la croûte terrestre, où il se classe au neuvième rang en termes d’abondance globale , dépassant largement des métaux couramment utilisés tels que le cuivre, le zinc et l’étain. Il est largement réparti dans de nombreux types de roches, en particulier dans les sables et les argiles, où ses réserves sont particulièrement importantes.

Caractéristiques du titane

Le titane présente une série de propriétés exceptionnelles, notamment une résistance élevée, une résistance thermique élevée, une excellente résistance à la corrosion, des performances exceptionnelles à basse température et une forte réactivité chimique .

Plus précisément, la résistance du titane dépasse largement celle des alliages d’aluminium, des alliages de magnésium et des aciers inoxydables, ce qui en fait l’un des métaux structuraux les plus remarquables. Les alliages de titane présentent également des performances exceptionnelles à haute température, avec des températures de fonctionnement nettement supérieures à celles des alliages d’aluminium, et peuvent conserver leurs performances sur le long terme à 450–500 °C .

En outre, le titane présente une excellente résistance aux acides, aux alcalis et à la corrosion atmosphérique, notamment une forte résistance à la corrosion localisée (piqûres) et à la fissuration par corrosion sous contrainte . À basse température, les alliages de titane tels que TA7 conservent une bonne ductilité et de bonnes propriétés mécaniques, même à des températures aussi basses que –253 °C .

Toutefois, le titane présente une réactivité chimique élevée à haute température et peut facilement réagir avec des gaz présents dans l’air, tels que l’hydrogène et l’oxygène, formant des couches superficielles durcies. Par ailleurs, les alliages de titane possèdent une conductivité thermique relativement faible — environ le quart de celui du nickel, le cinquième de celui du fer et le quatorzième de celui de l'aluminium — tandis que leur module d'élasticité est approximativement la moitié de celui de l'acier . Ces caractéristiques rendent le titane indispensable dans de nombreuses applications d'ingénierie avancée.

Classification et applications des alliages de titane

Les alliages de titane peuvent être classés, selon leurs applications, en alliages résistants à la chaleur, alliages à haute résistance, alliages résistants à la corrosion (tels que les alliages Ti-Mo et Ti-Pd), alliages pour basses températures , et alliages fonctionnels spéciaux , y compris les matériaux de stockage d'hydrogène à base de titane–fer et les alliages à mémoire de forme titane–nickel.

Bien que l’histoire des applications des alliages de titane soit relativement récente, leurs performances exceptionnelles leur ont valu de nombreuses distinctions, dont l’une est le titre « métal spatial ». Cette appellation provient de leur faible masse volumique, de leur résistance élevée et de leur excellente tenue à haute température, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les aéronefs et les véhicules spatiaux.

Actuellement, environ trois quarts de la production mondiale de titane et d’alliages de titane sont utilisés dans le secteur aérospatial , de nombreux composants autrefois fabriqués en alliages d’aluminium étant désormais remplacés par des alliages de titane.

Applications aéronautiques

Les alliages de titane constituent des matériaux essentiels dans la fabrication d’aéronefs et de moteurs. Ils sont largement utilisés dans les composants de soufflante forgés, les disques et aubes de compresseur, les carter de moteur et les systèmes d’échappement , ainsi que des composants structurels tels que des cadres et des cloisons étanches .

Dans les applications aérospatiales, la haute résistance spécifique, la résistance à la corrosion et les performances à basse température des alliages de titane en font un matériau idéal pour les récipients sous pression, les réservoirs de carburant, les éléments de fixation, les supports d’instruments, les cadres structurels et les enveloppes de fusées . Les assemblages soudés en tôle d’alliage de titane sont largement utilisés dans les satellites artificiels, les modules lunaires, les engins spatiaux habités et les navettes spatiales .

En 1950, les États-Unis ont appliqué pour la première fois les alliages de titane au Chasseur-bombardier F-84 , en les utilisant pour des composants non porteurs tels que les boucliers thermiques de la partie arrière du fuselage, les conduits d’air et les carenages arrière. À partir des années 1960, les alliages de titane se sont étendus des applications situées à l’arrière du fuselage à celles de la partie centrale du fuselage, remplaçant partiellement l’acier structural dans les cloisons étanches, les poutres et les rails de volets .

Dans les années 1970, avec la production de masse d’avions civils tels que le Boeing 747 , l’utilisation du titane a considérablement augmenté. Le Boeing 747 à lui seul utilisait plus de 3 640 kg de titane , ce qui représentait environ 28 % du poids structural de l’avion . Les alliages de titane sont également devenus largement utilisés dans les fusées, les satellites et les engins spatiaux.

Caractéristiques d’usinage des alliages de titane

Premièrement, les alliages de titane présentent une conductivité thermique relativement faible — seulement environ le quart de celle de l’acier, le treizième de celle de l’aluminium et le vingt-cinquième de celle du cuivre pendant l’usinage, la dissipation de la chaleur et le refroidissement sont donc inefficaces, ce qui conduit à des températures élevées concentrées dans la zone de coupe . Cela peut provoquer une déformation de la pièce usinée et une reprise élastique, augmenter le couple de coupe, accélérer l’usure du tranchant de l’outil et réduire considérablement la durée de vie de l’outil.

Deuxièmement, comme la chaleur de coupe est concentrée près du tranchant et ne peut pas se dissiper rapidement, le frottement sur la face supérieure augmente, rendant l’évacuation des copeaux plus difficile et accélérant encore l’usure de l’outil.

Enfin, à des températures élevées, l’activité chimique des alliages de titane augmente de façon significative. Ils ont tendance à réagir avec les matériaux des outils, entraînant adhérence, diffusion et formation d’un bourrelet . Ces phénomènes peuvent provoquer le coincement, la brûlure ou la rupture de l’outil, affectant gravement la qualité et l’efficacité de l’usinage.

Avantages des centres d’usinage

Les centres d'usinage peuvent traiter plusieurs composants simultanément, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de la production. Leur haute précision garantit une excellente cohérence des produits, et grâce aux fonctions de compensation d’outils, la précision intrinsèque de la machine-outil peut être pleinement exploitée.

Les centres d'usinage offrent également une forte adaptabilité et flexibilité , permettant aisément l'usinage d'arcs, d'usinages biseautés et de raccords arrondis. Plus impressionnant encore, ils prennent en charge des opérations multifonctionnelles , notamment le fraisage, le perçage, l'alésage et le taraudage — le tout sur une seule machine.

Du point de vue de la maîtrise des coûts, les centres d'usinage permettent une comptabilisation précise des coûts et une planification fiable de la production, éliminent le besoin de dispositifs spécialisés, réduisent les coûts globaux et raccourcissent les cycles de production. Ils réduisent fortement la pénibilité du travail et peuvent être intégrés sans heurt à des logiciels de FAO tels que UG (NX) effectuer un usinage multiaxe.

Sélection des outils de coupe et des fluides de coupe

La sélection des outils de coupe et des fluides de coupe appropriés est critique lors de l'usinage des alliages de titane. Les matériaux des outils doivent présenter haute Dureté et Résistance à l'Usure pour assurer une évacuation efficace des copeaux. Le choix du fluide de coupe influence directement la qualité et l'efficacité de l'usinage : des fluides de coupe adaptés réduisent les frottements et la chaleur générée pendant la coupe, prolongent la durée de vie des outils et améliorent la précision d'usinage.

1. Exigences relatives au matériau de l’outil

• La dureté de l’outil doit être nettement supérieure à celle des alliages de titane afin de permettre une coupe efficace.
• Les outils doivent posséder une résistance et une ténacité suffisantes pour supporter les couples élevés et les efforts de coupe.
• En raison de la grande ténacité des alliages de titane, les arêtes de coupe doivent rester tranchantes ; par conséquent, une excellente résistance à l’usure est requise afin de minimiser l’écrouissage à froid.

2. Sélection de la géométrie de la fraise

En raison des caractéristiques d’usinage uniques des alliages de titane, la géométrie des fraises diffère sensiblement de celle des outils conventionnels.
A angle d'hélice plus faible (β) est recommandé afin d'augmenter le volume des rainures, d'améliorer l'évacuation des copeaux et de renforcer la dissipation de la chaleur.

3. Sélection des paramètres de coupe

Lors de l'usinage des alliages de titane, des vitesses de coupe plus faibles doivent être utilisées, combinées à des avances appropriées, des profondeurs de coupe raisonnables et des dépassements de finition maîtrisés.

4. Sélection et application du fluide de coupe

Les fluides de coupe contenant du chlore doivent être évités afin de prévenir la formation de substances toxiques et la fragilisation à l'hydrogène, ainsi que de réduire le risque de corrosion sous contrainte à haute température.
Il est recommandé d'utiliser des émulsions synthétiques solubles dans l'eau ou des liquides de refroidissement spécialement formulés, adaptés à l'usinage des alliages de titane.