Aperçu des matériaux en alliage de titane pour les fixations aéronautiques et spatiales

Les fixations, en tant que composants de base universels essentiels, jouent un rôle crucial dans l’industrie et sont souvent appelées le « riz de l’industrie ».

Les fixations peuvent être classées en 13 grandes catégories : boulons, vis, goujons, écrous, vis à bois, vis autotaraudeuses, rondelles, rivets, goupilles, anneaux d’arrêt, éléments de liaison, ensembles de fixation, etc. Selon leur domaine d’application, on distingue les fixations à usage général et les fixations aéronautiques et spatiales. Dans le domaine de l’aviation, les assemblages mécaniques restent la méthode de connexion principale, et le montage des avions repose largement sur l’utilisation de nombreuses fixations. Dans l’aérospatiale, les connexions entre les sections des engins spatiaux s’appuient également sur des fixations.

Avec le développement des technologies de conception allégée, les fixations aéronautiques et spatiales privilégient de plus en plus les alliages de titane. À l’international, l’utilisation des fixations en alliage de titane remonte aux années 1950, lorsque les États-Unis ont été les premiers à employer des boulons en Ti-6Al-4V sur le bombardier B-52, obtenant ainsi un allègement significatif. C’est à ce moment-là que l’application des fixations en titane a réellement commencé dans le domaine aérospatial. Aujourd’hui, dans des pays développés comme les États-Unis et la France, plus de 95 % des fixations en titane sont fabriquées à partir du Ti-6Al-4V, un matériau reconnu internationalement. Sur certains modèles d’avions avancés, les fixations en titane ont complètement remplacé l’acier 30CrMnSiA.

Par exemple, l’utilisation de fixations en titane sur l’avion de transport militaire américain C-5A a permis de réduire la masse de l’appareil d’environ 4 500 kg. Sur l’avion civil Boeing 747, le remplacement des fixations en acier par des fixations en titane a permis un allègement de 1 814 kg. En Russie, les fixations en alliage de titane et les systèmes d’alliages correspondants ont été appliqués sur des avions tels que l’Il-76, l’Il-86, l’Il-96, le Tu-204, l’An-72 et l’An-124, réduisant ainsi considérablement la masse des appareils. Sur l’Il-76, environ 142 000 fixations en titane sont utilisées, permettant un allègement de 600 kg.

En Chine, le développement des fixations en titane a commencé en 1965. Dans les années 1970, des organismes spécialisés ont lancé des recherches sur les rivets en alliage de titane et leurs applications. Dans les années 1980, certaines fixations en titane telles que les rivets et boulons ont été utilisées en petites quantités sur des avions militaires de deuxième génération. À la fin des années 1990, avec l’introduction des lignes de production d’avions de chasse de troisième génération et le développement de modèles nationaux équivalents, la Chine a commencé à adopter des fixations en titane. Ces dernières années, avec le développement rapide de l’industrie aérospatiale chinoise, divers organismes ont entrepris des recherches sur les matériaux en alliage de titane pour fixations ainsi que sur les technologies de fabrication correspondantes. Les fixations en titane sont désormais largement utilisées dans le secteur aérospatial, et leur présence est également significative dans l’aviation civile. Selon les données disponibles, chaque avion C919 de fabrication chinoise utilise environ 200 000 fixations en titane. En tenant compte du plan de production de 150 avions par an en 2018, cela représente une demande annuelle d’environ 30 millions de fixations en alliage de titane.

1. Avantages des alliages de titane pour les fixations

Le tableau ci-dessous présente une comparaison des performances des alliages de titane et des aciers utilisés pour les fixations. L’application des alliages de titane dans ce domaine offre les avantages suivants :

1. Faible densité

Les alliages de titane ont une densité nettement inférieure à celle des matériaux en acier, ce qui rend les fixations en titane beaucoup plus légères.

2. Résistance spécifique élevée

Le titane possède une résistance spécifique (rapport résistance/poids) parmi les plus élevées des matériaux métalliques courants. Grâce à cela, les alliages de titane peuvent également remplacer des matériaux plus légers comme les alliages d’aluminium. À charge équivalente, les composants en titane peuvent être plus compacts, ce qui permet de gagner de la place — un atout essentiel dans le domaine de l’aéronautique et du spatial.

3. Point de fusion élevé

Le point de fusion du titane est bien supérieur à celui de l’acier, ce qui confère aux fixations en titane une meilleure résistance à la chaleur.

4. Faible coefficient de dilatation thermique et faible module d’élasticité

Cela réduit les déformations thermiques et augmente la stabilité dimensionnelle.

5. Non magnétique

Les alliages de titane ont une très faible perméabilité magnétique, quasiment négligeable, ce qui les rend non magnétiques et idéaux pour éviter les interférences électromagnétiques. À noter que l’acier inoxydable austénitique est également non magnétique, mais peut le devenir après un travail à froid, alors que le titane conserve ses propriétés non magnétiques même après traitement thermique ou mécanique — un avantage clé pour les équipements avioniques.

6. Rapport limite d’élasticité/résistance à la traction élevé (rapport Re/Rm)

Pour les fixations soumises à des charges de traction, la limite d’élasticité est un critère de sécurité majeur : une fois la déformation plastique amorcée, la fixation perd sa fonction. Les alliages de titane ont une limite d’élasticité proche de leur résistance à la rupture, assurant ainsi une grande sécurité d’utilisation.

7. Potentiel électrochimique compatible avec les composites en fibres de carbone

Un des principaux avantages des alliages de titane est que leur potentiel électrochimique est proche de celui des composites à matrice carbone, ce qui permet d’éviter efficacement la corrosion galvanique.

8. Autres avantages

Les alliages de titane présentent également une excellente résistance à la corrosion et une bonne tenue au fluage.

Comparaison des propriétés des matériaux pour fixations

2. Matériaux en alliage de titane pour les fixations et leurs performances

Les alliages de titane utilisés pour les fixations sont étroitement liés aux procédés de fabrication et aux applications finales des pièces.

D’un côté, la fabrication des fixations en titane se divise en trois étapes principales :

1. Déformation plastique, comme l’estampage à chaud/froid, la réduction de diamètre ou le roulage de filets ;

2. Renforcement de surface, notamment dans les zones de transition entre la tête du boulon et la tige ;

3. Usinage mécanique, comprenant le tournage, le fraisage et la rectification.

D’un autre côté, les fixations ont des exigences différentes selon leur usage, ce qui entraîne l’utilisation de nuances d’alliage de titane variées.

Par exemple, une rivet exige une excellente ductilité, car une ou deux extrémités doivent être matées lors du montage.

En revanche, un boulon doit avoir une résistance mécanique élevée, équivalente à celle des aciers alliés à haute résistance comme le 30CrMnSiA, ce qui nécessite l’emploi d’alliages de titane haute performance.

En tenant compte à la fois des procédés et des applications, les alliages de titane pour fixations peuvent être classés en trois grandes catégories :

• Titane commercialement pur (Commercially Pure Titanium),

• Alliages α+β,

• Alliages β,

comme le montre le tableau 2.

Dans ce tableau, les nuances Grade 1 et Grade 2 représentent le titane pur industriel.

Les alliages α+β incluent notamment Ti-6Al-4V, Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Ti-662, etc.

Les alliages β sont principalement des alliages β métastables, car leur équivalent molybdène (Mo_eq) est généralement d’environ 10 %.

Quand Mo_eq < 10 % (alliages dits near-β), le traitement thermique est peu efficace ;

quand Mo_eq > 10 % (alliages β stables), la phase β est trop stable et ne se décompose pas correctement au vieillissement.

Les alliages β métastables offrent donc le meilleur potentiel de durcissement par traitement thermique.

De plus, les alliages β métastables présentent une excellente aptitude à la déformation à froid, ce qui permet de les former sans chauffage ni atmosphère protectrice, améliorant ainsi le rendement, la précision dimensionnelle et la qualité de surface.

En revanche, les alliages α+β nécessitent un formage à chaud, avec équipement de chauffage et atmosphère gazeuse, ce qui réduit l’efficacité de production et la rentabilité matière, et augmente le risque de chauffage inégal.

Tableau 2 – Nuances d’alliages de titane pour les fixations

Tableau 3 – Propriétés mécaniques des alliages de titane pour rivets

Remarques :

Rm = résistance à la traction, A = allongement, Ψ = striction, τ = résistance au cisaillement

Tableau 4 – Propriétés mécaniques des alliages de titane pour boulons (traitement : solution + vieillissement)

Remarques :

Rm = résistance à la traction ; Rp0.2 = limite d’élasticité ; A = allongement ; Ψ = striction ; τ = résistance au cisaillement

3. Principaux alliages de titane utilisés pour les éléments de fixation

Alliage de titane Ti-6Al-4V

Le Ti-6Al-4V est un alliage biphasé (α+β) de titane de résistance moyenne. Il s’agit de l’un des alliages de titane les plus étudiés et les plus utilisés. La majorité des fixations en titane sont fabriquées à partir de Ti-6Al-4V.

La fabrication de fixations en Ti-6Al-4V nécessite un forgeage à chaud, avec des équipements spécialisés pour le chauffage et la mise en forme, ce qui limite l’efficacité de production et le taux d’utilisation du matériau.

Pour les fixations à haute résistance, le Ti-6Al-4V est insuffisant. Après traitement thermique (solution + vieillissement), la résistance à la traction atteint au maximum 1100 MPa et la résistance au cisaillement environ 650 MPa. En raison de sa faible trempabilité, le diamètre des fixations est généralement inférieur à 19 mm.

Les fixations en Ti-6Al-4V comprennent des boulons, boulons à verrouillage haute performance, rivets aveugles, vis et rivets à gorge. Elles sont largement utilisées dans les avions, moteurs, équipements embarqués, véhicules spatiaux et satellites en Chine.

Alliage Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si

Il s’agit d’un alliage biphasé (α+β) martensitique à très bonnes propriétés globales. Il est généralement utilisé à l’état recuit, mais peut également être renforcé par traitement thermique. Il possède une excellente résistance à l’oxydation.

Alliage Ti-3Al-5Mo-4.5V

Cet alliage est typique des alliages biphasés durcissables par traitement thermique (solution + vieillissement). Après traitement de solution, il présente une bonne ductilité à température ambiante et une excellente aptitude au forgeage à froid, avec un rapport de mise en forme atteignant 1:4.

Dans le domaine des fixations, il peut être formé aussi bien à froid qu’à chaud. Il est utilisé pour fabriquer des boulons, vis et écrous autobloquants.

Alliage Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V

Alliage β métastable. À l’état traité en solution, il présente d’excellentes capacités de mise en forme à froid et de soudabilité. Il est principalement utilisé pour la fabrication de coques ondulées de satellites, de bandes de liaison satellite-lanceur, ainsi que de divers rivets et boulons formés à froid. Il est largement utilisé dans des produits aérospatiaux critiques.

Alliage Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al

Alliage β métastable, renforçable par traitement thermique. À l’état traité en solution, il possède une excellente formabilité à froid (rapport jusqu’à 2,8). Après vieillissement, il atteint une résistance élevée, convenant à la fabrication de fixations aérospatiales de 1100 MPa.

Alliage Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al

Alliage β métastable avec une excellente aptitude au formage à froid, comparable à celle du titane commercialement pur. Après traitement de solution, il permet la fabrication de diverses fixations par formage à froid. Sa résistance à la traction après vieillissement peut atteindre 1000 MPa. Il est utilisé par Boeing, et la Chine l’emploie aussi pour fabriquer des rivets à froid pour des structures de satellites et de chasseurs.

Alliage Ti-3Al-2.7Nb-15Mo

Alliage β21S métastable. Il offre une excellente aptitude au formage à chaud et à froid, une bonne trempabilité, une résistance au fluage et à la corrosion élevées. Grâce à l’utilisation d’éléments stabilisateurs β à haut point de fusion et à faible diffusion (Mo et Nb), il possède une résistance à l’oxydation à haute température bien supérieure à celle du Ti-15-3 — jusqu’à 100 fois meilleure.

Il est actuellement utilisé pour fabriquer des boulons haute résistance dans les programmes aérospatiaux chinois.

Comparaison de l’oxydation : Ti-3Al-2.7Nb-15Mo vs Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn

Alliage Ti-45Nb

Alliage β stable, développé spécifiquement pour les rivets. Initialement, les rivets étaient fabriqués en titane pur, mais sa faible résistance mécanique le rendait inadapté aux zones fortement sollicitées.

Un alliage présentant une ductilité similaire au titane pur mais avec une meilleure résistance était donc nécessaire. Les alliages β métastables standards présentent une forte résistance au formage et une ductilité inférieure.

Le Ti-45Nb a été développé pour répondre à ces besoins. Il possède une ductilité élevée à température ambiante (allongement de 20 %, striction de 60 %) et d’excellentes propriétés de mise en forme à froid.

Comparé au titane pur, il offre une résistance à la traction et au cisaillement plus élevées, atteignant respectivement 450 MPa et 350 MPa.

4. Tendances futures de développement

Fixations en alliage de titane ultra-haute résistance

Avec le développement de l’industrie aérospatiale chinoise, le niveau des technologies d’assemblage utilisées dans les nouveaux types d’avions et de véhicules spatiaux ne cesse de s’élever, ce qui impose de nouvelles exigences aux fixations.

L’une des grandes tendances à venir est le développement de fixations en alliage de titane ultra-haute résistance, avec des résistances à la traction comprises entre 1200 et 1500 MPa, et une résistance au cisaillement supérieure ou égale à 750 MPa.

Fixations en alliage de titane résistant aux hautes températures

Actuellement, la température d’utilisation des alliages de titane pour fixations reste relativement basse (voir tableau 5).

Dans le domaine aérospatial, l’augmentation de la vitesse de vol des nouveaux appareils impose des matériaux capables de résister à des températures plus élevées.

Ainsi, le développement de fixations en alliage de titane résistant à la chaleur constitue également une direction clé, notamment dans le spatial, où les nouveaux alliages doivent supporter des températures de 600 à 800 °C pendant de courtes durées.

L’alliage Ti₂AlNb est parfois utilisé comme alternative aux superalliages plus lourds, mais il subit d’importantes déformations et reste relativement lourd, ne répondant pas pleinement aux besoins de réduction de masse.

Par ailleurs, les composés intermétalliques à base de Ti-Al ont une faible formabilité et des technologies de fabrication encore peu matures.

Ainsi, les alliages de titane résistants à haute température pour fixations continueront de s’appuyer principalement sur les alliages de type quasi-α et les alliages biphasés (α+β) à forte teneur en aluminium.

À haute température, l’amélioration de la résistance et de la tenue au fluage des alliages de titane repose surtout sur le renforcement par solution solide des éléments comme Al, Sn et Zr.

Cependant, en raison de la limite imposée par l’équivalent aluminium, leur teneur ne peut pas être augmentée indéfiniment.

Il est donc nécessaire de maîtriser les proportions d’Al, Sn, Zr tout en les complétant par un alliage multi-éléments pour obtenir un renforcement combiné.

Parmi les éléments stabilisants β, le molbybdène (Mo) améliore significativement la résistance à haute température et la résistance au fluage. Le niobium (Nb), le chrome (Cr) et le vanadium (V) ont des effets similaires.

De plus, une petite quantité d’éléments β-stabilisateurs aide à prévenir la fragilisation de l’alliage.

La teneur en silicium (Si) joue également un rôle essentiel. L’ajout d’environ 0,2 % en masse de Si entraîne la précipitation de siliciures ellipsoïdaux aux limites des grains α de façon non homogène, ce qui bloque efficacement le mouvement des dislocations et produit un renforcement par dispersion, améliorant considérablement la tenue au fluage de l’alliage.

Cependant, les siliciures peuvent aussi nuire à la stabilité thermique de la microstructure, en réduisant la ductilité et en favorisant l’ordre cristallin ainsi que la formation de la phase Ti₃Al.

Par conséquent, la teneur en Si doit être inférieure à 0,5 % en masse.

�� En résumé, l’alliage multi-éléments à renforcement combiné reste la direction clé pour la conception de nouveaux alliages de titane résistants aux hautes températures destinés aux fixations.

Tableau 6 : Températures d’utilisation typiques des alliages de titane pour fixations