Titane résistant et ductile

Nature volume 618, pages 63-68 (2023)Citer cet article

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Les alliages de titane sont des matériaux légers avancés, indispensables pour de nombreuses applications critiques1,2. Le pilier de l’industrie du titane est constitué par les alliages de titane α – β, qui sont formulés à partir d’ajouts d’alliages qui stabilisent les phases α et β3,4,5. Nos travaux se concentrent sur l’exploitation de deux des éléments stabilisants et renforçateurs les plus puissants pour les alliages de titane α – β, l’oxygène et le fer1,2,3,4,5, qui sont facilement abondants. Cependant, l'effet fragilisant de l'oxygène6,7, décrit familièrement comme « la kryptonite du titane »8, et la microségrégation du fer9 ont entravé leur combinaison pour le développement d'alliages titane-oxygène-fer α-β solides et ductiles. Ici, nous intégrons la conception d'alliages à la conception de processus de fabrication additive (FA) pour démontrer une série de compositions titane-oxygène-fer qui présentent des propriétés de traction exceptionnelles. Nous expliquons les origines à l'échelle atomique de ces propriétés à l'aide de diverses techniques de caractérisation. L'abondance d'oxygène et de fer et la simplicité du processus de fabrication en forme nette ou quasi nette par FA rendent ces alliages titane-oxygène-fer α-β attrayants pour une gamme diversifiée d'applications. En outre, ils sont prometteurs pour l’utilisation à l’échelle industrielle de titane spongieux de mauvaise qualité ou de titane spongieux-oxygène-fer10,11, un déchet industriel à l’heure actuelle. Le potentiel économique et environnemental de réduction de l’empreinte carbone de la production de titane spongieux12, à forte intensité énergétique, est considérable.

La plupart des alliages industriels de titane (Ti) possèdent des microstructures basées sur les deux phases de base du Ti, l'hexagonal compacté (HCP) α et le corps cubique centré (BCC) β. Représentés par Ti – 6Al – 4V (% en poids utilisé sauf indication contraire), les alliages de Ti α – β sont l'épine dorsale de l'industrie du Ti1,2. Ils peuvent former des microstructures comprenant 2,3,4,5 (1) α – β lamellaire avec une relation d'orientation proche de celle de Burgers, (2) α et β équiaxes ou (3) α globulaire parmi les lamelles α – β. Chacune de ces microstructures présente des avantages et des inconvénients, ce qui rend les alliages de Ti α-β polyvalents pour diverses applications industrielles1,2,3,4,5. Parmi celles-ci, la microstructure lamellaire α – β a été couramment appliquée.

Les alliages de Ti α – β sont formulés en alliant du Ti avec des stabilisants de phase α et de phase β. Les stabilisants de la phase α sont limités à Al, N, O, C, Ga et Ge (réf. 3,4,5), dont N et C sont des impuretés étroitement contrôlées (0,05 % N, 0,08 % C)2,3 , alors que Ga et Ge ne sont pas commercialement viables. Par conséquent, outre Al, O est la seule autre option pratique. Le tableau supplémentaire 1 répertorie les principaux alliages de Ti α – β utilisant Al comme stabilisant de phase α. Notamment, O surpasse Al dans (1) renforçant la phase α d'un facteur d'environ 20 (calculé selon les données données dans le tableau 4 à la page 16 de la réf. 1), (2) stabilisant la phase α par un facteur d'environ 10 (sur la base de la formule d'équivalence en aluminium donnée à la page 380 de la réf. 5) et (3) limitant la croissance des grains a priori-β pendant la solidification d'un facteur de plus de 40 (10,8 contre 0,26)13. Cependant, ces attributs de O sont restés sous-utilisés dans le développement d’alliages de Ti α – β.

Le problème avec O comme principal stabilisateur de phase α dans Ti est son effet fragilisant en raison de ses fortes interactions avec les dislocations lors de la déformation . De plus, O modifie les équilibres de phases, favorisant la formation de la phase α2 fragilisante (Ti3Al)14. Ces contraintes ont conduit à la règle de conception empirique suivante pour les alliages industriels de Ti : Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9,0% (réf. 5). Pour Ti-6Al-4V, cette règle de conception nécessite moins de 0,12 % d'O (réf. 15) à 0,05 % de N et 0,08 % de C, qui a été assouplie à 0,13 % d'O pour le grade 23 Ti-6Al-4V et 0,20 % d'O pour Ti–6Al–4V de grade 5. Suivant cette règle, une teneur plus faible en Al permet une teneur plus élevée en O. En effet, le dernier alliage industriel α – β Ti ATI 425 (Ti – 4,5 Al – 3 V – 1,8 Fe – 0,3 O)16, autorise un maximum de 0,3 % d'O en raison de sa plus faible teneur en Al, pour lequel la règle empirique ci-dessus accepte un maximum de 0,31% O. Si aucun Al n’est inclus, cette règle autorise un maximum de 0,72% O.