Poudre d'alliage TiNb

Introduction à la poudre d'alliage TiNb

La poudre d'alliage de TiNb est composée de titane et Niobium des métaux. Elle offre une combinaison unique de résistance élevée, de faible densité, biocompatibilité, résistance à la corrosion, résistance à la fatigue et au fluage à des températures élevées.

Les alliages TiNb font partie d'une classe plus large de matériaux intermétalliques au titane qui possèdent des propriétés physiques, chimiques et mécaniques supérieures à celles du titane pur. L'ajout de niobium en tant qu'élément d'alliage améliore certaines propriétés et permet d'adapter les alliages TiNb à des applications spécifiques.

Certains avantages clés de la poudre d'alliage TiNb incluent notamment :

• Rapport poids-puissance élevé
• Capacité à supporter des températures extrêmes et des contraintes
• Résiste à l'usure, à l'abrasion et à la corrosion dans les environnements difficiles
• Biocompatible et non toxique pour des utilisations médicales
• Peut être traité en formes complexes à l'aide d'une fabrication additive
• Offre une flexibilité de conception aux ingénieurs

Les alliages de TiNb rivalisent dans l'industrie aérospatiale avec les superalliages à base de nickel ou de cobalt. Ils offrent également une alternative aux aciers inoxydables pour les implants et les dispositifs biomédicaux. Les alliages de TiNb permettent de nouvelles applications et conceptions impossibles avec d'autres matériaux.

Cet article fournit une référence technique sur la composition, les propriétés, le traitement, les applications, les spécifications, les coûts et d'autres aspects pratiques de la poudre d'alliage TiNb.

Composition de la poudre d'alliage TiNb

Les alliages TiNb contiennent principalement du titane et du niobium comme principaux éléments constitutifs. La teneur en niobium varie généralement entre 10 % et 50 % en poids, le reste étant du titane.

On peut ajuster le ratio Ti/Nb pour créer différentes nuances d'alliages TiNb optimisées pour certaines propriétés. Parmi les nuances courantes de TiNb figurent :

• Ti-10Nb - 10 % de niobium, 90 % de titane
• Ti-35Nb – 35 % de niobium, 65 % de titane
• Ti-45Nb – 45 % de niobium, 55 % de titane
• Ti-50Nb – 50 % niobium, 50 % titane

De plus, de petites quantités d'autres éléments comme le zirconium, le tantale, le molybdène et le chrome peuvent être ajoutées pour améliorer davantage les propriétés. L'oxygène et l'azote peuvent également être présents en tant qu'impuretés.

Tableau 1 : Composition chimique des nuances communes d’alliage de TiNb

Qualité de l'alliage	Teneur en niobium	Teneur en titane
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

Le contrôle de la composition est primordial pour obtenir les propriétés souhaitées dans le produit en alliage TiNb final. Les techniques de métallurgie des poudres permettent un mélange précis des métaux constitutifs dans une charge d'alimentation en poudre d'alliage.

Propriétés de la poudre d'alliage de TiNb

Les alliages de TiNb présentent de nombreuses propriétés physiques, mécaniques et chimiques utiles, ce qui les rend aptes aux applications très performantes. Voici quelques propriétés clés :

Propriétés physiques

• Densité – 4,5 à 5,5 g/cm3, inférieure à celle des aciers et des alliages de nickel
• Point de fusion - 1550 à 1750°C selon la composition
• Résistivité électrique - 0,5 à 0,6 Ãtimes10^-6 ô.m, supérieure à celle du titane pur
• Conductivité thermique — 6 à 22 W/m·K, inférieure à celle du titane

Propriétés mécaniques

• Résistance à la traction – 500 à 1 100 MPa, augmente avec la teneur en niobium
• Limite d'élasticité – 300 à 900 MPa
• Elongation – 10 à 25%
• Dureté – de 200 à 350 HV
• Résistance à la fatigue - 400 à 600 MPa

Autres propriétés

• Résistance à la corrosion – Excellente en raison de la couche d'oxyde protectrice
• Résistance à l'usure – Meilleure que le titane en raison de la dureté
• Biocompatibilité – Non toxique et non allergénique

En ajustant le rapport Ti/Nb, des propriétés telles que la résistance, la ductilité, la dureté et le module d’élasticité peuvent être optimisées selon les exigences de l’application.

Tableau 2 : Propriétés types de l'alliage Ti-35Nb

Propriété immobilière	Valeur
Densité	5,2 g/cm3
Point de fusion	1600¡«C
Résistance à la traction	650 MPa
Limite d'élasticité	550 MPa
Allongement	15%
Module d’élasticité	60 GPa
Dureté	250 HV

Applications de la poudre d'alliage de TiNb

Les propriétés uniques des alliages TiNb les rendent adaptés à des applications exigeantes dans diverses industries :

Aérospatial

• Composants moteur - aubes, disques, attaches
• Pièces de cellule – trains d'atterrissage, ailes, fuselage
• Systèmes hydrauliques : pompes, vannes, actionneurs

Automobile

• Ressorts de soupapes, soupapes de moteur
• Bagues, rotors de turbocompresseur
• Composants pour sports mécaniques

Biomédical

• Implants orthopédiques - genou, hanche
• Implants dentaires, couronnes
• Instruments chirurgicaux
• Dispositifs médicaux

Industrie chimique

• Échangeurs de chaleur, réacteurs
• Pompes, valves, tuyaux
• Équipement résistant à la corrosion

Autres applications

• Articles de sport – clubs de golf, cadres de vélo
• Montres et bijoux haut de gamme
• Contacts et connecteurs électriques
• Composants de fours à température élevée

La combinaison de la résistance, de la résistance à la température, de la résistance à la corrosion et de la biocompatibilité permet aux alliages TiNb de remplacer des matériaux plus lourds dans ces industries.

Tableau 3 : Applications de l'alliage TiNb par industrie

Industrie	APPLICATIONS
Aérospatial	Composants moteurs, pièces structurelles, systèmes hydrauliques
Automobile	Ressorts de soupapes, soupapes de moteur, bielles
Biomédical	Implants, appareils dentaires, matériels et dispositifs chirurgicaux
Chimique	Échangeurs de chaleur, réacteurs, pompes, vannes
Autre	Articles de sport, montres, contacts électriques, pièces de fourneau

Traitement de la poudre d'alliage de TiNb

La poudre d'alliage TiNb peut être produite via différentes voies de traitement :

Mélange de poudres métalliques

• les poudres élémentaires de titane et de niobium sont mélangées ensemble dans la composition requise
• mélange de poudre mélangée est mécaniquement allié pour former la poudre d'alliage TiNb

Atomisation par gaz

• l'alliage de TiNb en fusion est atomisé avec un gaz inerte en gouttelettes fines
• les gouttelettes se solidifient en particules sphériques de poudre d'alliage

Procédé d'électrode rotative à plasma (PREP)

• La baguette électrode TiNb est fondue à l'aide d'un arc plasma et filée à grande vitesse
• la force centrifuge entraîne l'éclatement des gouttelettes et leur solidification en particules

Méthode hydrure-déshydrure (HDH)

• Les métaux Ti et Nb sont convertis en poudres d'hydrure fragiles
• poudres d'hydrures sont mélangées, déshydridées, broyées et tamisées

On peut contrôler la dimension des particules, la morphologie, la fluidité et la microstructure de la poudre en sélectionnant le procédé de fabrication approprié. Cela influe sur les propriétés finales après consolidation.

Tableau 4 : Méthodes de production des poudres d’alliage TiNb

Méthode	Description	Granulométrie	Morphologie
Alliages Mécaniques	Mélange et broyage des poudres de Ti et de Nb	10 – 50 microns	Irgulier, anguleux
Atomisation par gaz	Atomisation des gaz inertes de l'alliage fondu	15 – 150 microns	Sphérique
Electrode rotative à plasma	Désintégration centrifuge d'électrodes fondues	50 – 150 microns	Sphérique
Procédé HDH	Hydruration, déshydruration, broyage des poudres mélangées	10–63 µm	Irgulier, anguleux

Consolidation de poudre d’alliage TiNb

La poudre d'alliage de TiNb peut être transformée en des composants de densité totale à l'aide de diverses techniques de consolidation par métallurgie des poudres :

Pressage isostatique à chaud (HIP)

• La poudre encapsulée est HIP à haute température et pression

Frittage sous vide

• la poudre est compactée et frittée dans un four à vide

Frittage par plasma étincelle

• la poudre est simultanément chauffée et comprimée par du courant continu pulsé

Moulage d'injection métallique (MIM)

• la poudre est mélangée au liant, moulée, déliantée et frittée

fabrication additive

• fusion sur lit de poudre (SLM, EBM) ou dépôt d'énergie dirigée (DED)

Le frittage hanche et sous vide peut permettre d'atteindre une densité très proche de la densité maximale, tout en conservant une microstructure fine. La fabrication additive offre une plus grande liberté géométrique. Le processus de consolidation peut être optimisé pour obtenir les propriétés souhaitées.

Tableau 5 : Techniques de consolidation de la poudre d'alliage de TiNb

Méthode	Description	Densité	Microstructure	Géométrie
HIP	Forte pression, haute température	Presque pleine densité	Bien	formes simples
Frittage sous vide	Frittage sous vide	Presque pleine densité	Bien	formes simples
Frittage par plasma étincelle	Courant pulsé et pression	Densité complète	Ultrafin	formes simples
Moulage par injection de métal	Moulage poudre + liant	Presque pleine densité	Ultrafin	Formes complexes
fabrication additive	Fusion sur lit de poudre ou dépôt d'énergie dirigé	Presque pleine densité	Grossier	Formes complexes

Spécifications pour la poudre d'alliage de TiNb

La poudre en alliage TiNb est disponible en différentes spécifications conçues pour différentes applications :

Compositions : Nuances à teneur en niobium de 10 à 50 %

Taille des particules : 10 à 150 microns

Morphologie : Sphérique, irrégulier ou mélangé

Méthode de Production : Gaz atomisé, HDH, élément mélangé

Pureté : >99,5 % de titane, >99,8 % de niobium

Teneur en oxygène : < 2 000 ppm

Capacité à s'écouler : Débit en salle > 23 sec/50 g

Densité apparente : ¡Ô 2,5 g/cm³

Densité apparente : 3,5 g/cc

La composition chimique, la distribution granulométrique, la morphologie, le débit et la densité sont des propriétés généralement spécifiées. Des alliages et des spécifications de poudre personnalisés peuvent être produits pour des applications spécifiques.

Tableau 6 : Spécifications typiques de la poudre Ti-35Nb atomisée au gaz

Paramètre	Spécification
Composition de l'alliage	Ti-35Nb
Granulométrie	15 à 45 microns
Morphologie	Sphérique
Méthode de production	Atomisation par gaz
Pureté	Ti > 99,5 %, Nb > 99,8 %
Teneur en oxygène	<1500 ppm
Débit	>38 sec/50g
Densité apparente	¡Ô 2,7 g/cc
Densité de tassement	¡Ô 4,2 g/cm3

Fournisseurs de poudre d'alliage de TiNb

Voici quelques fournisseurs mondiaux de poudre d’alliage de titane et de niobium :

• AP&C &ndash ; poudres d'alliages de titane et de niobium
• Atlantic Equipment Engineers - poudres sphériques et angulaires
• TLS Technik - alliage TiNb atomisé au gaz
• Technologie des métaux - mélanges de poudres élémentaires et préalliées
• Sandvik Osprey – Poudres sphériques atomisées au gaz
• Carpenter Additive - poudres d’alliages personnalisés

Les alliages TiNb sont également proposés par des fournisseurs de métaux en titane et niobium. Ces producteurs de poudre peuvent approvisionner à la fois des alliages standardisés et des compositions personnalisées.

Tableau 7 : fournisseurs de poudre d'alliage TiNb

Entreprise	Matériaux	Méthodes de production
AP&C	Ti, Nb, alliages TiNb	Atomisation par gaz
Atlantic Equipment Engineers	Ti, Nb, alliages TiNb	Atomisation de gaz, mélange
TLS Technik	Alliages TiNb	Atomisation par gaz
Métal Technologie	Alliages TiNb	Élémentaire mélangé, pré-allié
Sandvik Osprey	Alliages TiNb	Atomisation par gaz
Carpenter Additive	Les alliages TiNb personnalisés	Atomisation par gaz

Coût de la poudre d'alliage TiNb

La poudre d'alliage TiNb est plus chère que la poudre de titane ou de niobium seule. Le coût dépend des éléments suivants :

• Composition — une teneur supérieure en Nb augmente le coût
• Pureté - augmentation des coûts en cas de pureté plus élevée
• Granulométrie
• Méthode de production – la poudre atomisée gazeuse coûte plus cher
• Quantité de commande - les volumes élevés ont un coût plus bas

Tarification indicative pour la poudre d'alliage TiNb en petite quantité :

• Ti-10Nb : 100 à 300 $ par kg
• Ti-35Nb : entre 200 et 500 dollars US le kg
• Ti-50Nb : 300 à 800 $ le kg

Le prix est considérablement réduit pour les commandes en gros de centaines de kilos ou de plusieurs tonnes.

Tableau 8 : Prix Indicatif des poudres d'alliages TiNb

Alliage	Prix ($/kg)
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

Manipulation et stockage de la poudre d'alliage TiNb

En tant que poudre métallique réactive, la poudre d'alliage de TiNb doit être manipulée avec précaution :

• Stocker dans des contenants hermétiques dans une atmosphère sèche et inerte pour prévenir l'oxydation et la contamination
• Éviter tout contact avec l’oxygène, l’humidité, les huiles, les matières combustibles
• Empêcher l'accumulation de poudres fines sur les surfaces ou l'équipement
• Mise à la terre de tout équipement conducteur utilisé pour la manutention
• Utiliser des outils qui ne produisent pas d'étincelles et minimiser la production de poussière
• Portez des gants et une protection respiratoire lors de la manipulation
• Utiliser des systèmes de ventilation au sol et éviter les nuages de poussière
• Tenir à l'écart de la chaleur, des flammes, des étincelles et autres sources d'inflammation
• Suivez la fiche de données de sécurité pour les EPI appropriés et les précautions

Si elle est stockée de manière appropriée dans une atmosphère sèche et inerte, la poudre d'alliage TiNb a une durée de conservation typique de 12 mois. Des conditions de stockage inadéquates peuvent entraîner une oxydation, une perte de fluidité ou des risques d'inflammation.

Tableau 9 : Consignes de manipulation de la poudre d’alliage TiNb

Paramètre	Directives
Stockage	Contenants scellés, atmosphère inerte sèche
Atmosphère	Évier l'oxygène, l'humidité, les huiles et les combustibles
Équipement	Mettre à la terre tout l'équipement conducteur
Outils	Utilisez des outils anti-étincelles
Ventilation	Système d'aération débarrassé
ÉPI	Gants, protection respiratoire
Précautions	Évitez la chaleur, les flammes et les étincelles
Durée de conservation	12 mois en atmosphère inerte

Fiche de Données de Sécurité pour alliages poudreux de TiNb

Comme pour les autres poudres de métaux réactives, quelques précautions de sécurité importantes pour l’alliage TiNb :

• Portez des EPI - gants, protection des yeux, masque/respirateur
• Évitez d'inhaler des poudres - utilisez une protection des voies respiratoires
• Évitez tout contact avec la peau et les yeux
• Bien se laver les mains après avoir manipulé de la poudre
• Éviter les sources d’ignition, les poudres peuvent être inflamables
• Utiliser une mise à la terre et une ventilation appropriées
• Atmosphère de stockage inerte pour prévenir l'oxydation
• Éviter que des liquides ne se renversent sur et empêche la poussière de s’accumuler sur les surfaces
• Suivre les instructions de la FDS et des étiquettes d'avertissement

Premiers secours :

• Inhalation : Déplacez-vous vers l'air frais. Obtenir une aide médicale si nécessaire.
• Contact avec la peau : laver avec de l’eau et du savon. Obtenir de l’aide si l’irritation persiste.
• Contact Avec Les Yeux : Rincer abondamment à l'eau pendant 15 minutes. Obtenir des soins médicaux.
• Ingestion : Buvez de l’eau. Consultez un médecin si une gêne se manifeste.

Toujours vous référer à la SDS du fournisseur pour obtenir les informations complètes de santé et de sécurité avant de manipuler et de traiter la poudre d'alliage de TiNb.

Tableau 10 : Principales mesures de sécurité pour la poudre d’alliage de TiNb

Article de sécurité	Précautions
ÉPI	Gants, lunettes, masque N95
Inhalation	Utiliser des protections respiratoires
Contact avec la peau	Laver la zone affectée avec de l'eau et du savon
Contact visuel	Rincer les yeux avec de l'eau pendant 15 minutes
Ingestion	Buvez de l'eau. Consultez un médecin si nécessaire.
Ventilation	Utiliser des hottes de ventilation proches du sol
Ancrage	Relier à la terre tous les équipements pendant le déplacement
Allumage	Éviter les étincelles, les flammes et les sources de chaleur
Stockage	Atmosphère inerte éloignée des matières inflammables

Contrôle qualité de la poudre d'alliage TiNb

Pour s'assurer que la poudre d'alliage TiNb répond aux spécifications, plusieurs contrôles qualité sont effectués :

• Analyse chimique?- Analyse ICP, GDMS ou LECO pour vérifier la composition et la pureté
• Analyse granulométrique- La diffraction laser ou l'analyse par tamisage pour la distribution granulométrique
• Morphologie?- Imagerie SEM pour contrôler la forme des particules et la topologie de surface
• Débit?- Test de débitmètre à effet Hall pour la fluidité des poudres
• Densité- mesures de densité apparente et de densité tassée
• Oxygéne/azote?- Analyse par fusion avec gaz inerte des impuretés interstitielles
• Identification de phase?- Analyse XRD pour déterminer les phases présentes

Les propriétés de la poudre sont testées sur chaque lot selon les normes de qualité telles que ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1. La poudre peut être mélangée entre les lots pour obtenir une uniformité.

Tableau 11 : Méthodes d'essai des poudres d'alliages TiNb

Test	Méthode	Standard
Composition	ICP, GDMS, LECO	ASTM E1479, ASTM E2330
Distribution de la taille des particules	Diffraction laser, tamisage	ASTM B822
Morphologie	Imagerie MEB	ASTM B822
Débit	Débitmètre à effet Hall	ASTM B213
Densité	Volucompteur de Scott	ASTM B212
Oxygéne/azote	Soudage à l'arc en atmosphère inerte	ASTM E1019
Analyse du phase	Diffraction des rayons X	ASTM E1876

Applications médicales de l'alliage TiNb

En raison de leur biocompatibilité, de leur résistance élevée et de leur faible module, les alliages TiNb sont largement utilisés pour les implants et dispositifs médicaux :

Implants orthopédiques

• Prothèses de genou et de hanche
• Plaques osseuses, vis
• Dispositifs de fixation vertébrale
• Implants et bridges dentaires

Les alliages TiNb tels que Ti-35Nb et Ti-45Nb correspondent au module d'élasticité de l'os humain tout en offrant une résistance élevée à la fatigue. Cela réduit le blindage contre les contraintes par rapport aux alliages de titane plus rigides.

Dispositifs cardiovasculaires

• Stents
• Boîtiers de stimulateurs cardiaques
• Guides-fils
• Instruments chirurgicaux

La résistance à la corrosion, la non-toxicité et le non-magnétisme des alliages TiNb les rendent adaptés pour les appareils qui entrent en contact avec le sang et les tissus.

Nuances d'alliage TiNb à usage médical

• Ti-10Nb dans Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr, Ti-Nb-Ta pour des propriétés ajustées
• Normes ISO 5832-11 et ASTM F2066

Les modules Ti-35Nb et Ti-45Nb inférieurs sont couramment utilisés. Le Nb supérieur renforce mais augmente le module. De petites additions de Zr/Ta adaptent davantage les propriétés.

Avantages des alliages Ti-Nb pour usage biomédical

• Excellente biocompatibilité et ostéo-intégration
• Haute résistance et résistance à la fatigue
• Faible module proche de l'os
• Non toxique, non allergénique
• Résistant à la corrosion
• Non-magnétique

Les alliages TiNb offrent la meilleure combinaison de résistance, de biocompatibilité, de résistance à la corrosion et de module d'élasticité pour les implants.

Les défis liés aux composants médicaux en alliage de TiNb

• Fabrication et usinage difficiles
• Plus coûteux que l’alliage Ti-6Al-4V
• Nécessite un contrôle qualité et des tests rigoureux
• Des données cliniques à plus long terme sont encore en cours d’évolution

Étant relativement nouveau pour un usage médical, manufacturing et la licence des composants TiNb peut être plus complexe. Mais leurs avantages l'emportent sur les défis à court terme.

Utilisations automobiles de l'alliage TiNb

La résistance élevée, la résistance à la température et la durée de vie contre la fatigue des alliages TiNb les rendent attrayants pour les pièces automobiles :

Ressorts de soupapes

• Une résistance plus élevée permet une masse de ressort plus faible
• Réduit le flottement des soupapes à haut régime
• Permet une puissance de sortie supérieure

Soupapes de moteur

• Résiste aux gaz d’échappement haute température
• Résistance à l'usure et à la déformation
• Léger

Bielles

• Rapport poids-puissance élevé
• Réduit la masse alternative
• Permet un régime et une puissance plus élevés

Rotors de turbocompresseur

• Conserve sa résistance à haute température
• Résiste à la déformation permanente
• Résistance aux chocs thermiques
• Densité faible

Composants pour sports mécaniques

• Suspension légère, pièces de châssis
• Durée de vie améliorée contre la fatigue

La masse réduite et l'inertie combinées à la résistance à la température et à la fatigue permettent d'améliorer les performances et l'efficacité du moteur.

Défis posés par les alliages TiNb pour l'automobile

• Coût élevé par rapport aux alliages d’acier
• Difficultés de traitement avec la métallurgie des poudres
• Fournisseurs limités et expérience de fabrication
• Rapport coût-bénéfice incertain

Les avantages peuvent justifier des prix élevés pour les véhicules haut de gamme et les sports automobiles dans un premier temps. Une adoption plus large dépend de la réduction des coûts par les producteurs de poudre TiNb.

Applications aérospatiales des alliages TiNb

Les alliages TiNb concurrencent les superalliages de nickel pour les applications de moteurs et de cellules d'avion nécessitant une résistance à basse température :

Composants du moteur

• Pales de turbine, disques, carters
• Les pales de compresseurs
• Arbres, fixations
• Inverseurs de poussée

Pièces structurelles

• Train d'atterrissage
• Ailes, nervures, longerons
• Membrures de fuselage
• Conduite hydraulique

Avantages

• Densité inférieure de 30 à 50 % à celle des superalliages de nickel
• Gain de poids
• Résistance similaire à la contrainte et au fluage
• Résiste à des contraintes et des températures élevées

Défis