Poudre de Ti3Al : Composition, propriétés, applications et autres

Voici quelques-unes des principales propriétés et caractéristiques de la poudre de Ti3Al :

• Haute résistance à des températures élevées allant jusqu'à 750°C
• Densité environ deux fois inférieure à celle des superalliages de nickel
• Résistance exceptionnelle à la corrosion
• Faible densité par rapport aux autres alliages de 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 un aperçu détaillé de la composition, des propriétés, des applications, des fournisseurs, des coûts, des méthodes d'essai et d'autres détails techniques relatifs à la poudre de Ti3Al.

Composition de la poudre de Ti3Al

La poudre Ti3Al a une composition nominale de 75% de titane et 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 tels que Nb, Mo, Si, B, Ta, W, C et O sont souvent ajoutés en petites quantités pour améliorer certaines propriétés. Le tableau ci-dessous présente la gamme de composition typique :

Élément	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%

Le contrôle de la teneur en oxygène et en carbone est essentiel pour éviter la fragilisation et maintenir la ductilité. D'autres oligo-éléments peuvent également être présents en fonction des matières premières et du processus.

Propriétés de la poudre de Ti3Al

Les propriétés uniques de la poudre Ti3Al découlent de sa structure cristalline intermétallique ordonnée composée d'atomes de titane et d'aluminium. Parmi les propriétés notables, on peut citer

Résistance à haute température

Ti3Al conserve une résistance relativement élevée jusqu'à 750°C, nettement supérieure à celle du titane ou de l'aluminium seul. Il convient donc aux applications à température élevée dans les moteurs, les turbines, les soupapes, etc. Le tableau ci-dessous compare la résistance de Ti3Al à celle d'autres alliages de titane à différentes températures :

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

Faible densité

Avec une densité d'environ 3,7 - 4,1 g/cm3, Ti3Al est beaucoup plus léger que les superalliages de nickel et la plupart des autres alliages de titane. Cela permet de réduire le poids des composants, ce qui est essentiel dans les applications aérospatiales.

Résistance à l'oxydation

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 matière.

Résistance à la corrosion

La teneur en titane confère au Ti3Al une excellente résistance à la corrosion dans une large gamme d'acides, d'alcalis et d'environnements salins. Il est donc utile dans les équipements de traitement chimique.

Résistance à l'usure

Ti3Al présente 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 matrices d'extrusion.

Cependant, le Ti3Al présente également des inconvénients, tels que

• Mauvaise ductilité à température ambiante et ténacité à la rupture
• Difficile à fabriquer et à usiner
• Mauvaise soudabilité en raison de la susceptibilité à la fissuration

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

Applications de la poudre de Ti3Al

Les propriétés uniques de la poudre de Ti3Al lui permettent d'être utilisée dans les applications suivantes :

Aérospatiale

L'industrie aérospatiale est le plus grand consommateur de produits Ti3Al en raison de la nécessité de réduire le poids, de la résistance à haute température et de la résistance à l'oxydation. Les applications typiques sont les suivantes

• Aubes de turbines, aubes, disques
• Chambres de combustion, postcombustion
• Cellules d'avion, composants structurels
• Tubes et valves hydrauliques

Automobile

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

Traitement chimique

Ti3Al est utilisé pour les composants tels que les vannes, les pompes, les raccords de tuyauterie, les cuves de réaction qui nécessitent une résistance à la corrosion combinée à des propriétés mécaniques à haute température.

Biomédical

La biocompatibilité, la résistance à la corrosion et la solidité du Ti3Al en font un matériau adapté aux implants orthopédiques tels que les articulations artificielles de la hanche.

Parmi les autres applications, citons les vannes à haute performance, les matrices d'extrusion, les éléments chauffants et les articles de sport. Ti3Al est également utilisé comme poudre de fabrication additive.

Spécifications de la poudre de Ti3Al

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

Spécifications	Détails
Taille des particules	15 - 150 microns
Morphologie	Sphérique, angulaire, mixte
Densité apparente	2 - 3,5 g/cm3
Densité du robinet	3 - 4,5 g/cm3
La pureté	≥99%, ≥99.9%
Teneur en oxygène	≤ 0,2 wt%
Teneur en azote	≤ 0,05 wt%
Teneur en carbone	≤ 0,08 wt%
Teneur en fer	≤ 0,30 wt%
Teneur en nickel	≤ 0,10 wt%
Paquets standard	5kg, 10kg, 25kg

Les particules de taille plus fine offrent généralement une meilleure fluidité, une meilleure densité d'empilement et une meilleure réactivité. Les morphologies sphériques améliorent également l'écoulement de la poudre. Une plus grande pureté réduit les contaminants et améliore les propriétés.

Production de poudre de Ti3Al

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

• Atomisation des gaz - L'alliage Ti-Al fondu est atomisé avec un gaz inerte en fines gouttelettes qui se solidifient en poudre. On obtient ainsi des particules sphériques présentant une bonne fluidité.
• Alliage mécanique - Les poudres élémentaires de Ti et d'Al sont broyées pour synthétiser mécaniquement le composé intermétallique. Les particules de poudre ont des formes irrégulières.
• Sphéroïdisation du plasma - Une poudre irrégulière de Ti3Al provenant d'un alliage mécanique est refondue dans un plasma pour générer une poudre sphérique.
• Atomisation des gaz de fusion par induction des électrodes (EIGA) - Fusion directe et atomisation d'une électrode de Ti3Al pour produire de la poudre.

L'atomisation au gaz et le traitement au plasma permettent un meilleur contrôle de la distribution de la taille des particules, de la morphologie, de la captation de l'oxygène et de la microstructure. La poudre doit généralement être tamisée en fractions de taille spécifique après la production, en fonction des exigences de l'application.

Coût de la poudre de Ti3Al

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

• $100 - $500 par kg pour la poudre atomisée au gaz de pureté 99%
• $50 - $250 par kg pour la poudre d'alliage mécanique 99%
• $300 - $1000 par kg pour la poudre sphéroïdisée de plasma 99,9%

Les prix dépendent de la taille des particules, de leur morphologie, du degré de pureté, de la quantité commandée et du fabricant. Les alliages sur mesure avec des compositions spéciales peuvent coûter encore plus cher. Les coûts ont diminué grâce à l'augmentation des volumes de production et à l'amélioration des processus.

Fournisseurs de poudre de Ti3Al

Parmi les principaux fournisseurs mondiaux de poudre de Ti3Al, on peut citer

Entreprise	Localisation
AP&C	Canada
TLS Technik GmbH	Allemagne
Technologie des métaux	ROYAUME-UNI
ATI Powder Metals	ÉTATS-UNIS
Additif pour charpentier	ÉTATS-UNIS
Met3DP	Chine
Tekna	Canada

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

Ti3Al par rapport aux alternatives

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

Tableau : Comparaison entre Ti3Al et d'autres alliages à haute température

Alliage	Densité	Temp. max.	La force	Ductilité	Résistance à l'oxydation	Coût
Ti3Al	Faible	Très élevé	Haut	Faible	Bon	Haut
Inconel 718	Haut	Haut	Moyen	Moyen	Bon	Moyen
Haynes 230	Haut	Très élevé	Haut	Faible	Excellent	Très élevé
Ti6Al4V	Moyen	Moyen	Moyen	Moyen	Excellent	Moyen
Aciers inoxydables ferritiques	Moyen	Moyen	Faible	Haut	Pauvre	Faible

Pour les températures de service maximales, le Ti3Al et les superalliages à base de nickel comme le Haynes 230 sont supérieurs. Cependant, la densité et le coût inférieurs du Ti3Al sont avantageux pour les applications à poids critique comme l'aérospatiale.

La faible ductilité à température ambiante du Ti3Al reste une limitation majeure par rapport aux aciers et au Ti6Al4V. Le développement d'alliages et de procédés continue d'améliorer l'usinabilité et la fabricabilité.

Avantages de la poudre Ti3Al

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

• Haute résistance maintenue à 800°C
• Densité 40% inférieure à celle des superalliages au nickel
• Excellente résistance au fluage
• Bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion
• Remplacement des métaux réfractaires sans risque stratégique pour les matériaux
• Fabrication de formes quasi nettes par métallurgie des poudres
• Les composants peuvent fonctionner à des températures plus élevées
• Réduction du poids des pièces rotatives telles que les pales de turbines
• Efficacité accrue grâce à des paramètres de fonctionnement plus élevés

L'équilibre unique entre les propriétés mécaniques, la faible densité et la stabilité thermique fait du Ti3Al un matériau porteur pour la prochaine génération de systèmes aérospatiaux, automobiles et de production d'énergie.

Limites de la poudre de Ti3Al

Malgré ses avantages, Ti3Al présente également certains inconvénients :

• Cassant à température ambiante, la ductilité s'améliore à partir de 500°C
• La fabrication et l'usinage sont difficiles
• Perte rapide de propriété en dessous de 400°C
• Les coûts des matières premières et de la transformation sont très élevés
• La chaîne d'approvisionnement est limitée avec peu de producteurs
• La conception des composants nécessite une expertise technique spécialisée
• Pas facile à souder ou à assembler avec les techniques conventionnelles
• Difficile à recycler et à réutiliser

Les obstacles liés à la fabrication et au coût ont ralenti l'adoption commerciale du Ti3Al à ce jour. Mais ses capacités continuent à stimuler les efforts de développement pour surmonter ces limitations en améliorant la composition chimique des alliages, la qualité des poudres et la conception des composants.

Perspectives pour la poudre de Ti3Al

Le Ti3Al devrait connaître une utilisation accrue dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, des turbines à gaz industrielles et de la production d'énergie, en raison de.. :

• Demande croissante d'efficacité énergétique des moteurs à réaction et de réduction des émissions
• Matériaux haute température requis pour les turbocompresseurs électriques
• Marché croissant des technologies de fabrication additive
• Priorité à la substitution stratégique de matériaux pour les terres rares et les métaux réfractaires
• Réduction des coûts grâce à l'amélioration de la productivité de la production

Les marchés de l'automobile et de l'industrie sont plus sensibles au prix et exigent un avantage démontré en termes de coût et de performance par rapport aux alliages existants. Le secteur aérospatial est plus enclin à payer un supplément pour une performance maximale.

Les initiatives gouvernementales aux États-Unis, dans l'UE et au Japon accélèrent la R&D sur la production de poudre de 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.

Questions fréquemment posées

Q : À quoi sert la poudre de Ti3Al ?

R : La poudre de Ti3Al est utilisée pour fabriquer des composants à haute température comme les aubes de turbines, les roues de turbocompresseurs, les échangeurs de chaleur et d'autres pièces fonctionnant entre 500 et 800°C. Elle offre un excellent équilibre entre une résistance élevée, une faible densité et une bonne résistance à l'oxydation.

Q : Comment la poudre de Ti3Al est-elle fabriquée ?

R : Les méthodes de production courantes comprennent l'atomisation au gaz, l'atomisation au plasma, l'atomisation au gaz de fusion par induction d'électrode (EIGA) et l'alliage mécanique. Chaque procédé produit des poudres aux caractéristiques différentes, adaptées à des applications spécifiques.

Q : La poudre de Ti3Al est-elle meilleure que celle d'Inconel 718 ?

R : Ti3Al a une densité plus faible, ce qui permet de gagner du poids par rapport à l'Inconel 718. Sa résistance est plus élevée à des températures supérieures à 700°C. Cependant, la ductilité à température ambiante du Ti3Al est assez faible, alors que l'Inconel 718 peut être fabriqué et usiné facilement.

Q : Quel est le coût de la poudre de Ti3Al ?

R : La poudre de Ti3Al coûte environ $450-750 par kg, ce qui est près de 5 fois plus cher que les superalliages au nickel et 10 fois plus que les poudres de titane ou d'aluminium. Ce coût élevé est dû à la complexité du traitement et à la demande limitée du marché.

Q : Comment la poudre de Ti3Al est-elle manipulée et stockée ?

R : Comme d'autres poudres d'alliages réactifs, le Ti3Al doit être recouvert d'un gaz inerte et stocké à l'abri de l'humidité. Seuls des récipients en céramique, en verre ou en acier inoxydable doivent être utilisés. Les précautions de sécurité comprennent la mise à la terre, la ventilation et le port d'un équipement de protection respiratoire.

Q : Quels sont les défis posés par l'utilisation de la poudre de Ti3Al ?

R : Les principales limitations sont la faible ductilité à température ambiante, le coût élevé des matériaux, le nombre limité de fournisseurs, la difficulté d'usinage/de fabrication et le manque de technologies d'assemblage. L'amélioration des alliages, le développement des processus et l'optimisation de la conception des composants sont nécessaires pour étendre l'utilisation commerciale.

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

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