Développement et application des alliages de titane dans l'aérospatiale

Depuis le début de sa production industrielle dans les années 1940, le titane est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'industrie militaire, le développement maritime, la pétrochimie, la production d'énergie et la supraconductivité. Ses propriétés exceptionnelles – résistance spécifique élevée, excellente résistance à la corrosion, amagnétisme et bonne soudabilité –, ainsi que ses propriétés supraconductrices, de stockage d'hydrogène et de mémoire de forme, expliquent son utilisation répandue. On le qualifie souvent de « métal polyvalent », de « métal marin », de « troisième métal » ou encore de « métal moderne ». L'exploration continue de ses propriétés remarquables élargit sans cesse son champ d'application, le positionnant comme le troisième métal de structure après l'acier et l'aluminium.

Matières premières pour alliage de titane

Compte tenu de son rôle crucial dans les secteurs de la défense, de l'aérospatiale et des hautes technologies, le titane est une priorité pour les puissances militaires telles que les États-Unis, la Russie, le Royaume-Uni, la France et le Japon, et est considéré comme un métal structurel stratégique pour le XXIe siècle. Le développement des sciences et technologies du titane, notamment les nouveaux alliages, les nouvelles techniques de fusion et les applications, connaît une évolution rapide et continue. L'industrie chinoise du titane a connu près de 40 ans de hauts et de bas. Grâce au soutien national, elle a réalisé des progrès considérables et mis en place un système industriel du titane indépendant. En prenant comme référence les chiffres de production de 2000, qui s'élevaient à 1 751 tonnes de titane spongieux et 2 206 tonnes de matériaux transformés à base de titane, la Chine a produit 49 632 tonnes de titane spongieux en 2008, soit une augmentation de 27,3 fois en huit ans. La même année, la Chine a produit 27 737 tonnes de matériaux transformés à base de titane, soit une augmentation de 11,6 fois.

En raison du coût élevé des matières premières en alliage de titane, 70 à 80 % des Matériau en titaneLes alliages de titane sont utilisés dans l'industrie aérospatiale à l'étranger. Le secteur aérospatial chinois en est également un grand consommateur. Actuellement, la proportion d'alliages de titane utilisés dans les avions de pointe en développement en Chine est d'environ 10 à 12 %. Cette proportion est encore plus élevée dans l'aviation militaire, de l'ordre de 20 à 30 %, tandis que dans les moteurs d'avions militaires, elle dépasse les 30 %. L'utilisation du titane dans les nouvelles fusées et les nouveaux missiles est également en hausse.

Développement et application des alliages de titane structuraux

Avec l'évolution des concepts de conception aéronautique, passant d'une approche traditionnelle axée sur la résistance statique à une approche fondée sur la sécurité et la durée de vie, la résistance aux dommages et la sécurité, pour aboutir aux concepts modernes de conception tolérante aux dommages, les matériaux en alliages de titane avancés se sont progressivement orientés vers des alliages tolérants aux dommages, caractérisés par une ténacité à la rupture élevée et une faible vitesse de propagation des fissures. Actuellement, les pays développés sont à la pointe de la recherche et du développement de nouveaux alliages de titane tolérants aux dommages et de leur application dans les aéronefs de pointe, notamment le Ti-6Al-4V ELI de résistance moyenne et le Ti-6-2222S de haute résistance, qui ont été utilisés avec succès dans les avions de nouvelle génération américains F-22, F-35 et C-17, améliorant considérablement leur durée de vie et leur efficacité au combat. Parallèlement à cette évolution des concepts de conception aéronautique, le concept de conception tolérante aux dommages pour les structures en alliages de titane commence à susciter un intérêt croissant en Chine. Depuis le 15e plan quinquennal, la Chine a développé de manière indépendante les alliages de titane tolérants aux dommages TC4-DT (résistance moyenne, haute ténacité) et TC21 (haute résistance, haute ténacité). Elle a également mis au point une technologie de traitement β pour ces alliages, jetant ainsi les bases de l'application des matériaux dans le développement des nouveaux aéronefs chinois. Afin de répondre aux besoins en alliages de titane pour les structures aérospatiales, la Chine a développé, entre autres, des alliages de titane de qualité fil (NbTi) et tube (TAl8) à faible résistance et haute ténacité, ainsi que la série d'alliages de titane à ultra-haute résistance (TB8, TBl9, TB20) d'une résistance de 1 300 à 2 000 MPa. Ce développement a permis de constituer un nouveau système de matériaux en alliages de titane aux caractéristiques chinoises pour les structures aéronautiques, jetant les bases de l'application des alliages de titane de nouvelle génération dans ce secteur.

Le Ti-6Al-4V (TC4) est un alliage de titane de type α-β de résistance moyenne, développé au début des années 1960. Il présente d'excellentes propriétés et est souvent qualifié d'« alliage universel ». Le TC4 est l'alliage de titane à usage général le plus ancien et le plus utilisé dans les structures aérospatiales, notamment pour la fabrication de plaques, de barres et de pièces forgées ou moulées. Cet alliage offre une bonne soudabilité et une bonne usinabilité. Les alliages à grains fins présentent une superplasticité, et la combinaison des procédés de formage superplastique et de brasage par diffusion (SPF/DB) permet de fabriquer des composants complexes.

Les alliages de titane structuraux à haute résistance désignent généralement les alliages dont la résistance à la traction dépasse 1 000 MPa. Actuellement, parmi les alliages de titane à haute résistance de niveau international les plus avancés et utilisés dans l’aéronautique, on trouve les alliages métastables de type β Ti-15-3 et β321s, l’alliage quasi-β Ti-1023 et l’alliage de titane biphasé α-β BT22. Le remplacement de l’acier de construction à haute résistance 30CrMnSiA, largement utilisé dans les structures d’aéronefs, par des alliages de titane structuraux à haute résistance permet de réduire le poids de plus de 20 %.

Le Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo (TC21) est un alliage de titane biphasé à haute résistance, haute ténacité et tolérance aux dommages, développé dans les années 1970. Après traitement thermomécanique, cet alliage présente une résistance élevée, une excellente tolérance aux dommages et une résistance supérieure à la propagation des fissures de fatigue, ce qui le rend idéal pour la fabrication de composants porteurs à haute résistance et haute ténacité. L'ajout de silicium lui permet de conserver une résistance élevée à des températures intermédiaires, surpassant ainsi le Ti-6Al-4V. Les tôles d'alliage peuvent être mises en forme par superplasticité à température ambiante.

Le Ti-10V-2Fe-3Al (TB6) est un alliage de titane quasi-β à haute résistance et haute ténacité, développé à la fin des années 1970. Cet alliage se caractérise par une résistance spécifique élevée, une bonne ténacité, une large zone de trempe, une faible anisotropie, d'excellentes propriétés de forgeage et une forte résistance à la corrosion. Il combine les avantages des alliages de titane β métastables sans perdre les propriétés de solution solide de ces derniers, répondant ainsi aux exigences de conception tolérante aux dommages, d'efficacité structurelle élevée, de fiabilité élevée et de faible coût. Sa température maximale d'utilisation est de 320 °C. Les principaux produits dérivés de cet alliage sont les barres, les pièces forgées, les plaques épaisses et les profilés. Grâce à un traitement de mise en solution et un traitement thermique de vieillissement, il atteint un bon équilibre entre résistance, ductilité et ténacité, ce qui le rend adapté à la fabrication de composants structuraux exigeant une résistance et une ténacité élevées. Un traitement thermomécanique permet d'obtenir une excellente ténacité et une faible vitesse de propagation des fissures, le rendant ainsi adapté aux structures exigeant une ténacité élevée.