Le Titane et ses alliages

Le Titane et ses alliages

Historique et production 

Le Titane est le neuvième élément le plus abondant sur la croûte terrestre et se classe comme quatrième métal après le fer, l’aluminium et le magnésium. Ce matériau a été découvert en 1791 quand le pasteur britannique William Gregor, minéralogiste et géologue a trouvé de l’oxyde de fer et un autre oxyde qu’il n’arrive pas à identifier (FeTiO3) lors de l’analyse d’un sable noir trouvé sur la rive d’un ruisseau proche de sa paroisse [Kathleen, 2007]. Sa découverte ne provoque aucune réaction jusqu’à ce qu’en 1795, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth trouve de manière indépendante le même élément, après analyse d’un nouveau minéral (aujourd’hui connu sous le nom de rutile TiO2), et propose de le baptiser « titane ». Cependant, sa métallurgie extractive étant très difficile, les premières tentatives pour isoler le titane ont échoué car l’oxyde de titane donne du carbure de titane lorsqu’il est chauffé en présence de carbone et non un métal pur. Il a fallu attendre 1910 pour le premier développement du procédé d’extraction permettant d’obtenir du titane pur à 99,9% par le chimiste américain Matthew Albert Hunter, mais cette technique n’a pas été suivie par un développement industriel. C’est en 1939 que le chimiste et métallurgiste luxembourgeois William Justin Kroll a mis au point la technique industrielle de production de titane pur. Ce procédé convertit le dioxyde de titane en chlorure de titane, l’oxygène étant éliminé sous forme de monoxyde de carbone, le chlorure étant ensuite réduit par le magnésium [Louvigné, 2017]. Le chlorure de magnésium est séparé par distillation à 950°C sous vide ou sous argon et le titane est obtenu sous la forme d’un solide poreux dit « éponge de titane ». Cette éponge est purifiée par fusion successives pour obtenir le titane pur à 99,9 % . Le procédé Kroll est devenu le procédé de référence pour la production du titane [Leyens and Peters, 2003].

Pour fabriquer un lingot de titane pur, la matière fondue peut être soit purement de l’éponge, soit un mélange d’éponge et de déchet de titane (scrap), soit essentiellement du déchet de titane. Le titane est extrait de minerais, principalement d’ilménite FeTiO3 et de rutile TiO2. On trouve le minerai en grandes quantités en Chine, en Australie, en Inde, en Afrique du Sud et, en quantité plus modeste au Brésil, à Madagascar, en Norvège, au Kenya, au Sénégal, en Russie, au Canada etc.

Sur une production mondiale d’environ 6,6 millions de tonnes d’ilménite et de rutile en 2016, seulement quelques pour cent ont été utilisés pour produire de l’éponge de titane. En effet, la production est orientée dans sa plus grande partie à l’industrie du pigment, en particulier comme agent de blanchiment du papier et des peintures. De plus, le minerai est utilisé sous forme de Ferrotitane à faible teneur en titane ou transformé en carbures et autres composés chimiques [U.S. Geological Survey, 2017] .

Caractéristiques du titane et de ses alliages 

Cristallographie et propriétés du titane non allié

Le Titane pur non allié présente une transformation allotropique de type martensitique au voisinage de 882°C, qui est marquée par la nature de la structure cristallographique. En dessous de cette température, le Titane cristallise dans le système Hexagonal pseudo compact de paramètres a = 0, 295 nm, c = 0, 468 nm et de rapport c/a = 1, 587, on parle alors de Titane α. Au-dessus de cette température, la structure est cubique centrée de paramètre a = 0, 33 nm, il s’agit du Titane β . La température de transition entre les deux formes de titane (α et β) est appelée transus β (Tβ) [Combres, 2013].

Le titane présente des propriétés physiques, chimiques et mécaniques uniques qui le rendent industriellement intéressant  [Combres, 2010] :
– Une résistance spécifique importante (rapport résistance à la traction / densité) et une limite élastique assez élevée,
– Un bon comportement en fatigue,
– Une conservation des caractéristiques mécaniques élevées même à des températures extrêmes (allant du domaine cryogénique jusqu’à une température d’environ 600°C),
– Une excellente résistance à l’érosion et à la corrosion.

Eléments d’addition et classification des alliages de titane

Le titane est utilisé essentiellement sous forme d’alliages. Les lingots d’alliage de titane sont obtenus en mélangeant à la matière titane les éléments d’addition pour avoir, après fusion, l’alliage désiré. Les éléments d’addition stabilisent soit la phase α, dans ce cas, ils sont des éléments α-gènes, soit la phase β et dans ce cas ils sont des éléments β-gènes. La température de transition Tβ dépend fortement des éléments d’addition puisque les éléments α-gènes tendent à augmenter sa valeur, tandis que les éléments β-gènes tendent à diminuer sa valeur. Il y a également des éléments dits neutres tels que le zirconium (Zr) et l’étain (Sn) qui n’ont pas d’influence sur le domaine de stabilité.

On peut classer les différents alliages de titane en trois grandes familles selon leur proportion de phase α et β retenue à la température ambiante [De gélas et al., 1976] :
– Les alliages α : dans ces alliages, les éléments d’addition α-gènes élèvent la température de transition α-β et sont solubles dans la phase α. Ils peuvent être des métaux tels que l’Aluminium ou d’autres éléments tels que l’Oxygène, l’Azote et le Carbone.
– Les alliages β : les éléments d’addition se dissolvent dans la phase β et la stabilisent en diminuant la température de transition α-β. Ce sont principalement le Vanadium, le Molybdène, le Niobium, le Tantale, le Chrome et le Cuivre.
– Les alliages α + β : cette dernière famille regroupe les alliages mixtes, et étant très vaste, on distingue trois sous-catégories qui sont les quasi α (proches des alliages α avec une faible proportion de β), les α + β (proprement dit), et les quasi β (possédant peu de phase α et proches des alliages β).

Table des matières

Introduction générale
I. Etat de l’art
I.1 Le Titane et ses alliages
Historique et production
Caractéristiques du titane et de ses alliages
I.1.2.1 Cristallographie et propriétés du titane non allié
I.1.2.2 Eléments d’addition et classification des alliages de titane
I.1.2.3 Microstructure des alliages de titane
Applications industrielles
Matériau étudié : Ti6Al4V
Usinage des alliages de titane
I.1.5.1 Usinabilité des alliages de titane
I.1.5.2 Processus de formation du copeau pour les alliages de titane
I.1.5.3 Outils de coupe pour l’usinage des alliages de titane
I.1.5.4 Usure des outils de coupe
I.2 Introduction du procédé de tréflage
Principe du tréflage
Paramètres pilotant le tréflage
Qualité géométrique des parois tréflées
Les outils de tréflage
I.2.4.1 Les outils existants
I.2.4.2 Angles de coupe de l’outil
Efforts de coupe en tréflage
I.2.5.1 Efforts de coupe expérimentaux
I.2.5.2 Modélisation des efforts de coupe en tréflage
I.2.5.3 Aspect dynamique du tréflage
Optimisation de l’opération de tréflage
I.2.6.1 Optimisation de la trajectoire
I.2.6.2 Optimisation des paramètres
I.2.6.3 Capacités cinématiques de la machine
I.3 Conclusion
II. Paramètres influents en tréflage
II.1 Protocole expérimental
Matériau usiné
Moyens d’essais et de mesure
Outils de coupe
II.1.3.1 Description des outils à tréfler choisis pour mener les essais
II.1.3.2 Caractéristiques dimensionnelles des outils
Mesure des efforts de coupe
II.1.4.1 Efforts de coupe axial, radial et tangentiel
II.1.4.2 Filtrage des mesures d’efforts
Planification des essais
II.2 Analyse des efforts de coupe expérimentaux
Influence des conditions de coupe sur les efforts de coupe
II.2.1.1 Effort tangentiel ?? et pression spécifique de coupe ?? expérimentaux
II.2.1.2 Effort axial ?? et pression spécifique de coupe ?? expérimentaux
II.2.1.3 Effort radial ?? et pression spécifique de coupe ?? expérimentaux
Influence de la préparation d’arête sur les efforts tangentiels et axiaux
II.3 Influence des paramètres géométriques d’un outil à tréfler sur les efforts de coupe
Introduction
Etat de l’art sur l’influence des paramètres géométriques sur les efforts
Présentation de la mise en œuvre des nouvelles modélisations d’efforts de coupe intégrant la géométrie des outils à tréfler
Pression spécifique de coupe ??
II.3.4.1 Pression spécifique ?? simulée
II.3.4.2 Influence des paramètres à l’issue du modèle
Pression spécifique de coupe ??
II.3.5.1 Pression spécifique ?? simulée
II.3.5.2 Influence des paramètres issue de la modélisation
Pression spécifique de coupe ??
II.3.6.1 Pression spécifique ?? simulée
II.3.6.2 Influence quantifiée des paramètres sur ?? issue de la modélisation
Validation des modèles proposés
II.3.7.1 Vérification des modèles de ??, ?? et ??
II.3.7.2 Vérification des modèles de ??, ?? et ?? avec le nouvel outil de coupe
II.3.7.3 Conclusion sur l’influence des paramètres géométriques
II.4 Analyse de l’usure
Choix des outils et de la campagne d’essais
Identification des modes de dégradation
II.4.2.1 Premier mode de dégradation : phase de rodage
II.4.2.2 Deuxième mode de dégradation : usure normale
II.4.2.3 Troisième mode de dégradation : effondrement de l’arête
Durée de vie des outils
II.4.3.1 Outil TangPlunge – ER
II.4.3.2 Outil AJX – JL
Influence des paramètres de coupe sur la durée de vie de l’outil
II.4.4.1 Influence de l’avance par dent
II.4.4.2 Influence du décalage radial
Influence de la remontée en contact avec la paroi
II.5 Conclusion
III. Efforts de coupe en fond de poche en tréflage
III.1 Présentation de la problématique
III.2 Outil TangPlunge d’Iscar (?? = 90°)
III.3 Outil AQX de Mitsubishi (?? < 90°)
III.4 Outil AJX de Mitsubishi / Outil COROMILL 210 de Sandvik (?? > 90°)
III.4.2.1 Première solution envisagée
III.4.2.2 Deuxième solution envisagée
III.5 Influence des paramètres de coupe
III.6 Conclusion
IV. Optimisation des stratégies en tréflage
IV.1 Etat de l’art
IV.2 Analyse des opérations de tréflage issues de logiciels commerciaux de FAO
Tréflage sur Mastercam
Tréflage sur Catia V5
Temps d’usinage réel vs temps d’usinage indiqué par la FAO
Problématiques liées aux logiciels de FAO
Conclusion générale

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