Recherche, Développement et Application de l’Alliage de Titane Ti6Al4V

L’alliage Ti6Al4V a été développé avec succès pour la première fois en 1954. Il s’agit d’un alliage biphasé de type martensitique équiaxe, qui est aujourd’hui devenu un alliage de titane largement utilisé dans le monde entier. Cet alliage est couramment employé dans les composants aéronautiques, et ses performances en matière de fatigue restent un sujet d’intérêt majeur dans les recherches.

En fonction du degré de raffinage, l’alliage Ti6Al4V est divisé en Ti6Al4V standard et Ti6Al4V (ELI). Leur composition chimique est présentée dans le tableau 1. Les propriétés mécaniques mesurées de cet alliage sont les suivantes : résistance à la traction (σb) de 896 MPa, limite d’élasticité (σs) de 869 MPa, module d’élasticité (E) de 110 GPa, module de cisaillement (G) de 42,7 GPa et densité (ρ) de 4,43 g/cm³. Actuellement, le Ti6Al4V représente 50 % de la production totale d’alliages de titane et 95 % de toutes les pièces en alliage de titane transformées. Depuis son apparition, les recherches sur cet alliage n’ont jamais cessé et, grâce à des études approfondies menées sur le long terme, sa technologie de traitement est désormais bien maîtrisée.

Cependant, ces dernières années, l’évolution des concepts de conception a conduit à un changement de paradigme, passant d’une conception basée uniquement sur la résistance statique à des concepts de conception “fail-safe” (sécurité en cas de défaillance) et de tolérance aux dommages. Parallèlement, l’exploration de nouveaux domaines d’application a stimulé un regain d’intérêt pour les recherches sur le Ti6Al4V. Actuellement, de nombreuses études ont été menées pour analyser l’influence de la microstructure, de la texture, des traitements thermiques, de la taille des sections transversales, de la direction de la charge, du rapport de contrainte, de l’état de surface et des environnements corrosifs sur les performances en fatigue de cet alliage. Grâce à ces recherches, le Ti6Al4V a retrouvé sa place en tant que matériau privilégié pour de nouvelles applications.

Tableau 1 : Composition chimique de l’alliage Ti6Al4V et de l’alliage Ti6Al4V (ELI) (en pourcentage massique)

1. Application du traitement thermique β dans l’industrie

Avec la demande croissante d’amélioration de l’efficacité et de réduction des coûts dans l’industrie aéronautique, la diminution de la densité des matériaux et l’amélioration de leurs performances sont devenues de plus en plus importantes. Réduire la densité des matériaux permet d’améliorer le rapport poussée/poids des avions, d’augmenter leur autonomie et de réduire la consommation de carburant. L’une des principales méthodes pour alléger les composants structurels des avions est d’utiliser des alliages de titane α+β qui possèdent une résistance spécifique élevée et d’excellentes propriétés mécaniques globales, permettant une réduction de poids de 10 % ou plus.

Parallèlement, pour garantir la durée de vie et la tolérance aux dommages des composants, les matériaux doivent présenter une bonne ténacité à la rupture et une forte résistance à la propagation des fissures. Comparés à d’autres matériaux de construction à haute résistance, les alliages de titane ont un module d’élasticité relativement faible, ce qui rend les composants conçus sur la base de critères de rigidité plus massifs et encombrants que ceux conçus sur la base de critères de résistance. Ainsi, améliorer les performances globales des alliages de titane α+β reste un sujet de recherche majeur.

La température de forgeage conventionnelle des alliages de titane est généralement située 40 à 50 °C en dessous du point de transformation de phase. Ce procédé permet d’obtenir une structure équiaxe après chauffage et déformation, conférant au matériau une bonne résistance mécanique, une excellente ductilité et une stabilité thermique satisfaisante à température ambiante. Cependant, ses performances à haute température, sa ténacité à la rupture et sa résistance à la propagation des fissures sont relativement médiocres. À l’inverse, la forgeage β, réalisée à des températures supérieures au point de transformation de phase, produit une structure en panier (basketweave), qui offre d’excellentes propriétés de fluage et de résistance à la rupture à haute température ainsi qu’une bonne ténacité à la rupture et résistance à la propagation des fissures. Cependant, cette méthode réduit considérablement la ductilité et la stabilité thermique du matériau.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé la théorie du forgeage proche du β (Near-β Forging Theory), qui combine la théorie des transformations de phase, la théorie du traitement thermique par déformation et la théorie du renforcement et de la ténacité. Grâce à la modélisation numérique par ordinateur appliquée aux procédés de forgeage, cette approche propose de chauffer et de déformer le matériau à une température comprise entre 45 et 75 °C en dessous du point de transformation de phase. Ce procédé génère une microstructure triphasée composée de grains équiaxes α, α lamellaire et matrice β transformée. Cette microstructure améliore la limite d’élasticité, la résistance au fluage à haute température, la durée de vie en fatigue à bas cycle, la ténacité à la rupture et la résistance à la propagation des fissures, tout en maintenant une bonne ductilité et stabilité thermique. De plus, il permet d’augmenter la température d’utilisation du matériau.

Selon la littérature, lorsque la température de forgeage est maintenue 45 à 75 °C en dessous de la température de transformation β, les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction et l’allongement à température ambiante répondent entièrement aux exigences de la norme GJB391-87. Cela s’explique par l’écart de température significatif entre la température de chauffage et la température de transformation β, garantissant que la température ne dépasse pas le point de transformation β, même en tenant compte de l’élévation de température due à la déformation. Ainsi, la déformation se produit entièrement dans la zone biphasée (α+β), assurant un taux de déformation suffisant d’environ 70 %. Après le forgeage final et le traitement thermique, la microstructure du produit fini est principalement composée d’une structure équiaxe α+β.

2. Étude de l’influence de la microstructure et de la texture sur les performances

La nature directionnelle de la déformation entraîne la formation d’une texture cristallographique. Lorsque la structure du matériau en tôle est uniformément répartie dans toutes les directions, cela favorise un comportement de déformation isotrope, permettant des taux de déformation similaires dans toutes les directions et réduisant ainsi les points faibles potentiels. À température ambiante, l’alliage Ti6Al4V contient plus de 85 % de phase α. Lorsque l’orientation de la structure hexagonale compacte (HCP) de la phase α est perpendiculaire ou presque perpendiculaire à la surface de la tôle, la direction de l’épaisseur présente une densité de texture maximale et donc une résistance mécanique maximale, ce qui rend la tôle plus résistante à la rupture lors du formage profond.

L’alliage Ti6Al4V contient 6 % d’aluminium (élément stabilisant la phase α) et 4 % de vanadium (stabilisant la phase β), ce qui lui confère d’excellentes propriétés globales. Il est largement utilisé dans l’industrie aéronautique. Ses demi-produits incluent notamment des barres, pièces forgées, tôles, profilés et fils.

Influence de la microstructure et de la texture sur les propriétés mécaniques

Différentes structures et textures entraînent des propriétés mécaniques variées :

• Une texture à haute densité est généralement associée à une résistance élevée ;

• Une texture à faible densité est liée à une résistance plus faible.

Grâce à des procédés de déformation appropriés, il est possible d’orienter la texture du matériau de manière à favoriser les opérations de formage ultérieures. Pour les tôles, lorsque la texture est perpendiculaire ou presque perpendiculaire à la surface, la direction de l’épaisseur est renforcée, et les propriétés mécaniques longitudinales et transversales deviennent plus homogènes. Bien que la résistance globale puisse être légèrement inférieure, cela permet une excellente aptitude au formage à froid et à l’emboutissage.

Les études montrent que différents procédés de laminage produisent des textures et des structures variées, chacune conférant des performances spécifiques au matériau.

Effet de la microstructure sur les performances mécaniques

L’alliage Ti6Al4V est principalement utilisé à l’état recuit (annealed), mais peut également être utilisé à l’état trempé et revenu (quench-aged). Selon l’état de traitement thermique, l’impact de la microstructure sur les performances diffère fortement.

• À l’état recuit :

• Que ce soit en fatigue sur surface lisse ou en fatigue avec entaille, les structures lamellaires montrent une limite d’endurance plus élevée que les structures bimodales.

• Cependant, dans les zones de haute contrainte, la structure bimodale offre de meilleures performances en fatigue que la structure lamellaire.

• À l’état trempé et revenu :

• La performance en fatigue diminue selon l’ordre suivant :

Bimodale > équiaxe fin > lamellaire fine > équiaxe grossier > lamellaire grossier

En outre, lorsque des différences significatives de taille de grain macroscopique sont présentes, même avec un type de microstructure identique, les performances en fatigue de l’alliage peuvent varier considérablement. Ainsi, le contrôle de la microstructure et de la taille des grains dans les pièces forgées est essentiel pour garantir une performance optimale.

5. Simulation de la microstructure et prévision des performances du Ti6Al4V

Lors du formage à haute température, le métal subit des recristallisations dynamiques et statiques, générant de nouveaux grains. Ces évolutions microstructurales influencent fortement les propriétés mécaniques macroscopiques du produit final. Contrôler la taille des grains pendant la mise en forme à chaud et affiner la microstructure est un moyen essentiel pour améliorer les performances mécaniques du matériau.

Les études montrent que la taille des grains recristallisés et le pourcentage de recristallisation dépendent non seulement de la taille initiale des grains et de la teneur en éléments d’alliage, mais surtout des paramètres de déformation et de refroidissement, tels que la température, la déformation et la vitesse de déformation.

Ces dernières années, la méthode des éléments finis (FEM) a connu des avancées majeures dans la simulation numérique des procédés de formage à chaud. Elle permet aujourd’hui de prédire avec précision la distribution des paramètres de déformation, fournissant un outil puissant pour analyser les changements microstructuraux durant le processus de formage.

La simulation du formage à chaud a ainsi évolué, passant de la simple modélisation des paramètres de déformation à la prédiction de l’évolution de la microstructure métallique, voire à la prédiction des propriétés mécaniques finales (résistance à la traction, limite d’élasticité, allongement, dureté, etc.). Cela constitue un thème de recherche clé dans le domaine de la mise en forme plastique des métaux, qui contribuera au développement des technologies de fabrication et à l’amélioration des performances des produits.

À l’aide de techniques d’analyse métallographique quantitative, des chercheurs ont étudié l’évolution de la microstructure du Ti6Al4V pendant sa déformation à haute température. Sur cette base, un modèle linéaire dynamique flou issu de la théorie des ensembles flous a été appliqué pour décrire les changements microstructuraux du Ti6Al4V pendant la mise en forme à chaud.

Pour construire ce modèle prédictif, les données expérimentales (fraction volumique et taille de la phase α) du Ti6Al4V soumises à diverses conditions (température de déformation, taux de déformation, vitesse de déformation) ont été utilisées comme échantillons. Une analyse de régression linéaire a permis d’établir les paramètres du modèle de prédiction de l’évolution microstructurale du Ti6Al4V.

Les résultats du modèle ont ensuite été comparés aux données expérimentales, montrant que le modèle est fiable et précis.

6. Développement des domaines d’application du Ti6Al4V

Avec le progrès de la science et de la technologie, le titane et ses alliages attirent une attention croissante grâce à leurs excellentes propriétés mécaniques, leur résistance à la corrosion, leur biocompatibilité, ainsi qu’un module d’élasticité proche de celui de l’os humain, ce qui les rend particulièrement adaptés aux implants médicaux.

L’utilisation du titane dans les implants corporels a commencé dans les années 1950, principalement avec l’alliage Ti6Al4V en tant que matériau implantable. Aujourd’hui encore, le Ti6Al4V reste l’alliage prédominant dans le domaine des implants médicaux, en raison de ses performances éprouvées.

Par ailleurs, grâce à ses caractéristiques avantageuses, l’alliage de titane est également très utilisé dans l’industrie automobile, en particulier dans les véhicules de sport et de compétition. Par exemple, des sièges de soupapes en Ti6Al4V sont produits à hauteur de plus de 250 000 unités par an, permettant un gain de poids de 10 à 12 g par pièce par rapport aux composants en acier, contribuant ainsi à l’allègement du véhicule, à l’amélioration de ses performances et à la réduction de la consommation de carburant.