Poudre de Ti3Al : composition, propriétés, applications, et plus

Parmi les principales propriétés et caractéristiques de la poudre Ti3Al figurent :

• Haute résistance aux températures élevées jusqu'à 750¡«C
• Densité environ la moitié de celle des superalliages de nickel
• Excellente résistance à la corrosion
• Faible densité par rapport aux autres alliages titane
• Résistance à l'oxydation jusqu'à environ 700 ¡«C
• Résistance à l'usure
• biocompatibilité

Cependant, le Ti3Al présente également des limites telles qu'une faible ductilité à température ambiante, une faible ténacité à la rupture et une mauvaise soudabilité. Un traitement approprié et des ajouts d'alliages sont nécessaires pour optimiser l'équilibre des propriétés pour différentes applications.

Cet article fournit une vue d'ensemble détaillée de la composition, des propriétés, des applications, des fournisseurs, des coûts, des méthodes d'essai et d'autres détails techniques liés à la poudre Ti3Al.

Composition de poudre Ti3Al

La poudre Ti3Al a une composition nominale de 75 % de titane et de 25 % d'aluminium en poids. Le composé intermétallique d'aluminure de titane se forme entre 50 et 75 % d'aluminium, Ti3Al étant la version la plus courante.

La composition exacte peut varier en fonction de la méthode de production. D'autres éléments comme le Nb, le Mo, le Si, le B, le Ta, le W, le C et l'O sont souvent ajoutés en petite quantité pour améliorer certaines propriétés. Le tableau ci-dessous indique la gamme de composition typique :

élément	% en poids
Titane (Ti)	69 – 76%
Aluminium (Al)	24 – 31%
Niobium (Nb)	0 – 6%
Molybdène (Mo)	0 – 4%
Silicium (Si)	0 – 2%
Bore (B)	0 – 0.5%
Tantale (Ta)	0 – 5%
Tungstène (W)	0 – 5%
Carbone (C)	0 – 0.1%
Oxygène (O)	0 – 0.2%

Maîtriser le contenu en oxygène et en carbone est essentiel pour éviter la fragilisation et maintenir la ductilité. D'autres éléments peuvent également être présents en fonction du procédé et des matières premières.

Propriétés de la poudre de Ti3Al

Les propriétés uniques de la poudre Ti3Al découlent de sa structure cristalline intermétallique ordonnée constituée d'atomes de titane et d'aluminium. Certaines des propriétés notables comprennent :

Haute résistance à la température

Ti3Al conserve une résistance relativement élevée jusqu'à 750 ¡«C, significativement meilleure que le titane ou l'aluminium seul. Cela le rend adapté aux applications à température élevée dans les moteurs, turbines, vannes, etc. Le tableau ci-dessous compare la résistance du Ti3Al à d'autres alliages de titane à différentes températures :

Alliage	Résistance à la température ambiante (MPa)	Résistance à 500 °C (MPa)	Densité (g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

Densité faible

Avec une densité d'environ 3,7 – 4,1 g/cm3, le Ti3Al beaucoup plus léger que les superalliages à base de nickel et la plupart des autres alliages de titane. Cela permet de réduire le poids des composants, un aspect crucial dans les applications aérospatiales.

Résistance à l'oxydation

Le Ti3Al offre une bonne résistance à l'oxydation jusqu'à 700 °C dans l'air, meilleure que le titane non allié. Cela lui permet de fonctionner à des températures élevées sans perte excessive de matériau.

Résistance à la corrosion

La teneur en titane confère au Ti3Al une excellente résistance à la corrosion à un large éventail d'acides, d'alcalis et d'environnements salins. Cela le rend utile dans les équipements de traitement chimique.

Résistance à l'usure

Le Ti3Al offre une bonne résistance à l'abrasion et à l'érosion, comparable à celle des aciers, ce qui le rend adapté aux applications à forte usure telles que les vannes, les pompes et les filières d'extrusion.

Cependant, le Ti3Al souffre aussi de certains désavantages comme :

• Faible ductilité à température ambiante et résistance à la fracture
• Difficile à fabriquer et usiner
• Soudabilité médiocre en raison d’une sensibilité à la fissuration

Un traitement approprié et des ajouts d'alliages sont nécessaires pour optimiser l'équilibre des propriétés pour l'application visée.

Applications de la poudre de Ti3Al

Les propriétés uniques de la poudre de Ti3Al le rendent approprié pour les applications suivantes :

Aérospatial

L'industrie aérospatiale est le plus grand consommateur de produits Ti3Al en raison du besoin de réduction de poids, de résistance à haute température et de résistance à l'oxydation. Les utilisations comprennent entre autres :

• Aubes de turbine, aubes directrices, disques
• Chambres de combustion, postcombusteurs
• Cellules, composants structurels
• Tuyauteries, robinetteries hydrauliques

Automobile

L'industrie automobile utilise le Ti3Al pour les composants de turbocompresseurs, les soupapes, les ressorts, les éléments de fixation et les pièces de système d'échappement qui nécessitent une résistance à haute température et un poids réduit.

Traitement chimique

Le Ti3Al est utilisé pour les composants tels que les vannes, les pompes, les raccords de tuyauterie ou les réacteurs qui nécessitent une résistance à la corrosion alliée à des propriétés mécaniques à haute température.

Biomédical

La biocompatibilité, la résistance à la corrosion et la résistance de Ti3Al le rendent adapté aux implants orthopédiques comme les articulations artificielles de la hanche.

Parmi les autres applications possibles, on peut citer les vannes haute performance, les filières d'extrusion, les éléments chauffants et les articles de sport. Le Ti3Al est également utilisé comme poudre de fabrication additive.

Spécifications de la poudre Ti3Al

La poudre de Ti3Al est disponible en différentes gammes de tailles, morphologies et niveaux de pureté en fonction du processus de production. Les principales spécifications sont données ci-dessous :

Spécification	Détails
Tailles de particules	15 – 150 microns
Morphologie	Sphérique, angulaire, mixte
Densité apparente	2 — 3,5 g/cm3
Densité de tassement	3 à 4,5 g/cm3
Pureté	99 %, 99,9 %
Teneur en oxygène	¨P 0,2 % en poids
Teneur en azote	¨P 0,05 % en poids
Teneur en carbone	¨P 0,08 % en poids
Teneur en fer	« P 0,30 % poids
Teneur en nickel	¨P 0,10 % pondéral
Conditionnements standards	5 kg, 10 kg, 25 kg

Les tailles de particules plus fines offrent généralement une meilleure fluidité, une meilleure densité de tassement et une meilleure réactivité. Les morphologies sphériques améliorent également le flux de poudre. Une plus grande pureté réduit les contaminants et améliore les propriétés.

Production de poudre Ti3Al

Plusieurs méthodes sont utilisées pour produire de la poudre de Ti3Al, notamment :

• Atomisation par gaz?- L'alliage de Ti-Al est atomisé avec du gaz inerte en fines gouttelettes qui se solidifient en poudre. Cela produit des particules sphériques avec une bonne fluidité.
• Alliages Mécaniques? - Les poudres élémentaires de Ti et d'Al sont broyées dans un broyeur à boulets pour synthétiser mécaniquement le composé intermétallique. Les particules de poudre ont des formes irrégulières.
• Sphéroïdisation de plasma?- La poudre de Ti3Al irrégulière provenant de l'alliage mécanique est refondue dans un plasma pour générer de la poudre sphérique.
• EIGA (atomisation au gaz avec électrode à induction)?- Fait fondre directement et atomise une électrode en Ti3Al pour produire de la poudre.

L'atomisation au gaz et le traitement au plasma permettent un meilleur contrôle de la distribution granulométrique, de la morphologie, de la captation d'oxygène et de la microstructure. Une fois produit, le GRAM doit généralement être tamisé suivant des fractions granulométriques spécifiques, en fonction des exigences applicatives.

Coût de la poudre Ti3Al

La poudre de Ti3Al est considérablement plus chère que les poudres de titane ou d'aluminium seules. Les coûts varient entre :

• 100 à 500$ par kg pour de la poudre atomisée au gaz de pureté à 99 %
• 50 USD – 250 USD par kg pour une poudre obtenue par alliage mécanique à 99 %
• 300 $-1 000 $ par kg de 99.9 % plasma en poudre sphéroïdisé

Les prix dépendent de la taille des particules, de la morphologie, du niveau de pureté, de la quantité commandée et du fabricant. Les alliages personnalisés avec des compositions spéciales peuvent coûter encore plus cher. Les coûts ont diminué en raison de l'augmentation des volumes de production et des améliorations des processus.

Fournisseurs de poudre Ti3Al

Parmi les principaux fournisseurs mondiaux de poudre de Ti3Al figurent :

Entreprise	Lieu
AP&C	Canada
TLS Technik GmbH	Allemagne
Métal Technologie	Royaume-Uni
ATI Powder Metals	États-Unis
Carpenter Additive	États-Unis
Met3DP	La Chine
Tekna	Canada

Il existe également quelques producteurs en Chine. Il est recommandé de s'approvisionner en poudre auprès de fabricants établis utilisant des procédés de production qualifiés afin de garantir une qualité et des propriétés fiables.

Ti3Al par rapport aux alternatives

Le Ti3Al est en concurrence avec plusieurs alternatives pour des applications structurelles à haute température :

Tableau : Comparaison du Ti3Al par rapport à d’autres alliages haute température

Alliage	Densité	Température maximale	Force	Ducilité	Résistance à l'oxydation	Coût
Ti3Al	Bas	Très haut	Élevé	Bas	Bien	Élevé
Inconel 718	Élevé	Élevé	Moyen	Moyen	Bien	Moyen
Haynes 230	Élevé	Très haut	Élevé	Bas	Excellent	Très haut
Ti6Al4V	Moyen	Moyen	Moyen	Moyen	Excellent	Moyen
Les aciers inoxydables ferritiques	Moyen	Moyen	Bas	Élevé	Laissé à l'abandon	Bas

Pour des températures de service maximales, le Ti3Al et les superalliages à base de nickel comme le Haynes 230 sont supérieurs. Cependant, la plus faible densité et le moindre coût du Ti3Al sont avantageux dans des applications critiques pour le poids comme l'aérospatial.

La faible ductilité à température ambiante du Ti3Al reste une limite importante par rapport aux aciers et au Ti6Al4V. Le développement du processus et de l'alliage continue d'améliorer l'usinabilité et la fabricabilité.

Avantages de la poudre Ti3Al

Les principaux avantages de l’utilisation de la poudre Ti3Al sont les suivants :

• Grande solidité maintenue jusqu'à 800°C
• Densité 40 % inférieure à celle des superalliages de nickel
• Excellente tenue au fluage
• Bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion
• Substitution de métaux réfractaires sans risques de matériaux stratégiques
• Fabrication quasi nette avec la métallurgie des poudres
• Les composants peuvent fonctionner à des températures plus élevées
• Gain de poids dans les pièces rotatives comme les aubes de turbines
• Rendements améliorés grâce à des paramètres d'exploitation plus élevés.

La combinaison unique de propriétés mécaniques, de densité faible et de stabilité thermique rendent le Ti3Al un matériau habilitant pour les systèmes aérospatiaux, automobiles et de production d'énergie de nouvelle génération.

Limites de la poudre de Ti3Al

Malgré ses avantages, le Ti3Al présente aussi certains inconvénients :

• Fragile à température ambiante, ductile avant 500¡«C
• La fabrication et l'usinage présentent des défis
• Perte rapide de propriété en dessous de 400 °C
• Les coûts de matière première et de transformation sont très élevés
• La chaîne d'approvisionnement est limitée avec quelques producteurs
• La conception des composants requiert une expertise en ingénierie spécialisée
• Pas facilement soudable ni assemblable avec des techniques conventionnelles
• Difficile à recycler et à réutiliser

Les obstacles liés à la fabrication et aux coûts ont jusqu'à présent ralenti l'adoption commerciale à grande échelle du Ti3Al. Mais ses capacités continuent de stimuler les efforts de développement pour surmonter ces limitations par l'amélioration de la chimie des alliages, de la qualité des poudres et de la conception des composants.

Perspectives de la poudre Ti3Al

L'utilisation du Ti3Al est prévue pour se développer dans les secteurs aérospatiaux, automobiles, les turbines à gaz industriels et de production d'énergie en raison de :

• Demande croissante pour des carburants de turboréacteurs écoénergétiques et moins émissifs
• Matériaux hautement résistants pour turbocompresseurs électriques
• Marché en pleine croissance pour les technologies de fabrication additive
• Mettre l'accent sur la substitution stratégique des matériaux pour les terres rares et les métaux réfractaires
• Réduction des coûts grâce à l'amélioration de la productivité manufacturière

Les marchés automobiles et industriels sont plus sensibles aux prix et exigent un avantage démontré en termes de rapport coût/performance par rapport aux alliages existants. Le secteur aérospatial est plus disposé à payer une prime pour des performances maximales.

Les initiatives gouvernementales aux États-Unis, dans l'UE et au Japon accélèrent la recherche et le développement en matière de production de poudre Ti3Al, la fabrication de composants, les méthodes d'assemblage et le développement d'alliages. Cela permettra d'élargir l'espace d'application et d'augmenter les taux d'adoption.

Foire aux questions

Q : Pour quelles utilisations la poudre de Ti3Al est-elle employée ?

A : La poudre de Ti3Al est utilisée pour fabriquer des composants haute température comme des aubes de turbine, des roues de turbocompresseur, des échangeurs de chaleur et d'autres pièces qui fonctionnent entre 500 et 800 °C. Elle offre un excellent équilibre entre haute résistance, faible densité et bonne résistance à l'oxydation.

Q : Comment est fabriquée la poudre de Ti3Al ?

R : Parmi les méthodes de production courantes, on compte l'atomisation par gaz, l'atomisation par plasma, l'atomisation par gaz de fusion par induction d'électrode (EIGA) et l'alliage mécanique. Chaque procédé produit des caractéristiques de poudre différentes, adaptées à des applications spécifiques.

Q : Le Ti3Al est-il meilleur que l’Inconel 718 ?

R : Ti3Al a une densité plus faible, donc fournit des économies de poids par rapport à l'Inconel 718. Il a une résistance supérieure à des températures supérieures à 700 °C. Cependant, la ductilité à température ambiante du Ti3Al est assez faible, tandis que l'Inconel 718 peut être fabriqué et usiné facilement.

Q : Quel est le coût de la poudre Ti3Al ?

A : La poudre Ti3Al coûte environ 450 à 750 $ par kg, ce qui est près de 5 fois plus cher que les superalliages de nickel et 10 fois plus que les poudres de titane ou d'aluminium. Le coût élevé est dû à un traitement complexe et à une demande limitée du marché.

Q : Comment manipuler et stocker la poudre Ti3Al ?

A : À l 'instar des autres poudres d 'alliage réactif, le Ti3Al nécessite un gaz inerte et un stockage exempt d 'humidité. Seuls les conteneurs en céramique, en verre ou en acier inoxydable doivent être utilisés. Les mesures de sécurité comprennent la mise à la terre, la ventilation et l 'EPI respiratoire.

Q : Quelles sont les difficultés rencontrées lors de l’utilisation de la poudre de Ti3Al ?

A : Les principales limites sont la faible ductilité à température ambiante, le coût élevé du matériel, le nombre limité de fournisseurs, la difficulté d'usinage/fabrication et l'absence de technologies d'assemblage. Des améliorations des alliages, des développements de processus et une optimisation de la conception des composants sont nécessaires pour étendre l'utilisation commerciale.

Q : Quelles sont les perspectives d’avenir de la poudre Ti3Al ?

R : L'utilisation de poudre Ti3Al devrait augmenter de manière significative dans les moteurs aérospatiaux, les turbocompresseurs automobiles et les applications industrielles à haute température. Des initiatives visant à réduire les coûts, à améliorer les propriétés et à peaufiner la fabrication permettront une adoption plus large.