Le titane est un élément de numéro atomique 22 dans le tableau périodique et un élément du groupe secondaire du quatrième cycle, à savoir le groupe IVB. Outre le titane, ce groupe d'éléments comprend également le zirconium et le hafnium. Leur caractéristique commune est un point de fusion élevé, qui forme un film d'oxyde stable à sa surface à température ambiante.

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Les dix caractéristiques du titane

1. Faible densité, haute résistance et haute résistance spécifique

La densité du titane est de 4,51 g/cm3, soit 57 % de l'acier. Le titane est moins de deux fois plus lourd que l’aluminium et trois fois plus résistant que l’aluminium. La résistance spécifique (rapport résistance/densité) de l’alliage de titane est la plus élevée parmi les alliages industriels couramment utilisés (voir tableau 1). La résistance spécifique de l'alliage de titane est 3,5 fois celle de l'acier inoxydable, 1,3 fois celle de l'alliage d'aluminium et 1,7 fois celle de l'alliage de magnésium, ce qui en fait un matériau structurel essentiel dans l'industrie aérospatiale.

Tableau 1. Comparaison de la densité et de la résistance spécifique entre le titane et d'autres métaux

2.Excellente résistance à la corrosion

La passivité du titane dépend de la présence d'un film d'oxyde, et sa résistance à la corrosion en milieu oxydant est bien meilleure qu'en milieu réducteur. Une corrosion à taux élevé se produit dans les milieux réducteurs. Le titane n'est pas corrodé dans certains milieux corrosifs, tels que l'eau de mer, le chlore gazeux humide, les solutions de chlorite et d'hypochlorite, l'acide nitrique, l'acide chromique, les chlorures métalliques, les sulfures et les acides organiques. Mais si une petite quantité d’oxydant est ajoutée à l’acide, un film de passivation se formera à la surface du titane. Ainsi, dans un mélange d'acide nitrique sulfurique fort ou d'acide nitrique chlorhydrique, et même dans l'acide chlorhydrique contenant du chlore libre, le titane résiste à la corrosion. Le film protecteur d'oxyde de titane se forme souvent lorsque le métal entre en contact avec de l'eau, même en petites quantités d'eau ou de vapeur. Si le titane est exposé à un environnement fortement oxydant totalement dépourvu d’eau, il subira une oxydation rapide et produira des réactions violentes, conduisant même souvent à une combustion spontanée. Ce phénomène s'est produit dans la réaction entre le titane et l'acide nitrique fumant contenant un excès d'oxyde d'azote, ainsi qu'entre le titane et le chlore gazeux sec. Donc, pour éviter que de telles réactions ne se produisent, l’eau doit être impliquée.

3. Bonnes performances de résistance à la chaleur

Normalement, l'aluminium perd ses propriétés d'origine à 150 ℃, l'acier inoxydable perd ses propriétés d'origine à 310 ℃, tandis que l'alliage de titane conserve toujours de bonnes propriétés mécaniques à environ 500 ℃. Lorsque la vitesse de l'avion atteint 2,7 fois la vitesse du son, la température de surface de la structure de l'avion atteint 230 ℃ et les alliages d'aluminium et de magnésium ne peuvent plus être utilisés, tandis que les alliages de titane peuvent répondre aux exigences. Le titane a une bonne résistance à la chaleur et est utilisé pour les disques et les aubes des compresseurs de moteurs d’avion, ainsi que pour la peau du fuselage arrière des avions.

4. Bonnes performances à basse température

La résistance de certains alliages de titane (comme le Ti-5AI-2.5SnELI) augmente avec la diminution de la température, mais la plasticité ne diminue pas beaucoup. Ils présentent toujours une bonne ductilité et une bonne ténacité à basse température et conviennent à une utilisation à des températures ultra-basses. Il peut être utilisé sur les moteurs de fusée à hydrogène liquide sec ou comme conteneurs et réservoirs de stockage à très basse température sur les engins spatiaux habités.

5.Non magnétique

Le titane n'est pas magnétique et ne fera pas exploser les mines lorsqu'il est utilisé dans des obus de sous-marins.

6. Faible conductivité thermique

La comparaison de la conductivité thermique entre le titane et d'autres métaux est présentée dans le tableau 2. Le titane a une faible conductivité thermique, seulement 1/5 de l'acier, 1/13 de l'aluminium et 1/25 du cuivre. La mauvaise conductivité thermique est un inconvénient du titane, mais dans certaines situations, cette caractéristique du titane peut devenir un avantage particulier pour son utilisation.

 Tableau 2. Comparaison de la CONDUCTANCE THERMIQUE entre le titane et d'autres métaux

7. Faible module élastique

La comparaison du module élastique entre le titane et d'autres métaux est présentée dans le tableau 3. Le module élastique du titane ne représente que 55 % de celui de l'acier, ce qui constitue un inconvénient lorsqu'il est utilisé comme matériau de structure.

Tableau 3. Comparaison de MODULE D'ÉLASTICITÉ entre le titane et d'autres métaux

8. La résistance à la traction est très proche de la limite d'élasticité

La résistance à la traction de l'alliage de titane Ti-6AI-4V est de 960 MPa, la limite d'élasticité est de 892 MPa et la différence entre les deux n'est que de 58 MPa, comme le montre le tableau 4.

Tableau 4. Comparaison de la résistance à la traction et de la limite d'élasticité entre le titane et d'autres métaux

9. Le titane s’oxyde facilement à haute température

Le titane a une forte force de liaison avec l'hydrogène et l'oxygène, il faut donc veiller à prévenir l'oxydation et l'absorption de l'hydrogène lors de son utilisation. Le soudage du titane doit être effectué sous protection sous argon pour éviter toute contamination. Les tubes et plaques minces en titane doivent être traités thermiquement sous vide, et le traitement thermique des pièces forgées en titane doit contrôler l'atmosphère micro-oxydante.

10. Faible performance anti-amortissement

En utilisant du titane et d'autres matériaux métalliques (cuivre, acier) pour fabriquer des horloges exactement de la même forme et de la même taille, frapper chaque horloge avec la même force révélera que les horloges en titane oscillent pendant une longue période, ce qui signifie que l'énergie donnée à l'horloge en frappant n'est pas facilement dissipé. Par conséquent, nous disons que le titane a de faibles performances d’amortissement.

Trois fonctions spéciales du titane

1. Fonction de mémoire de forme

Il fait référence à la capacité de l'alliage Ti-50 % Ni (atomique) à restaurer sa forme d'origine dans des conditions de température spécifiques, et est appelé alliage à mémoire de forme.

2. Fonction supraconductrice

Il fait référence à l'alliage Nb-Ti. Lorsque la température descend proche du zéro absolu, le fil en alliage Nb-Ti perd sa résistance. Tout courant important traversant le fil ne générera pas de chaleur et il n’y aura aucune consommation d’énergie. Le Nb-Ti est appelé matériau supraconducteur.

3. Fonction de stockage d'hydrogène

Il fait référence à un alliage Ti-50 % Fe (atomique), qui a la capacité d'absorber une grande quantité d'hydrogène gazeux. En utilisant cette caractéristique du Ti Fe, l’hydrogène peut être stocké en toute sécurité, ce qui signifie que le stockage de l’hydrogène ne nécessite pas nécessairement l’utilisation de bouteilles en acier à haute pression. Dans certaines conditions, Ti Fe peut également libérer de l’hydrogène, connu comme matériau de stockage d’énergie.