ti-6al-4vLe Ti-6Al-4V, également connu sous le nom d'alliage de titane de grade 5, est l'un des alliages de titane les plus populaires utilisés dans une variété d'applications. Cet article fournit un aperçu complet du Ti-6Al-4V, y compris sa composition, ses propriétés, ses applications, ses spécifications, son prix, sa manipulation et plus encore.
Ti-6Al-4V Composition
Le Ti-6Al-4V est un alliage de titane alpha-bêta contenant 6 % d'aluminium, 4 % de vanadium, 0,25 % (maximum) de fer, 0,2 % (maximum) d'oxygène et le reste de titane. Voici la composition nominale du Ti-6Al-4V :
| Élément | Poids (%) |
|---|---|
| titane | Balance |
| Aluminium | 5.5 – 6.75 |
| Vanadium | 3.5 – 4.5 |
| Le fer | ≤ 0.3 |
| Oxygène | ≤ 0.2 |
L'aluminium stabilise et renforce la phase alpha, tandis que le vanadium permet la formation de la phase bêta. La combinaison des phases alpha et bêta confère au Ti-6Al-4V une excellente solidité, une résistance à la corrosion et une bonne usinabilité.
Propriétés du Ti-6Al-4V
Le Ti-6Al-4V possède les propriétés suivantes qui le rendent avantageux pour les applications aérospatiales, médicales, marines et autres :
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Densité | 4,43 g/cm3 |
| Point de fusion | 1604 – ; 1660°C |
| Résistance à la traction | 895 – ; 1170 MPa |
| Limite d'élasticité | 825 – ; 1103 MPa |
| Élongation | 8 – 16% |
| Module d'élasticité | 114 GPa |
| Résistance à la fatigue | 400 – ; 500 MPa |
| Ténacité à la rupture | 55 – ; 115 MPa-m^1/2 |
| Résistance à la corrosion | Excellent |
| Bio-compatibilité | Excellent |
Caractéristiques principales :
- Légèreté et rapport résistance/poids élevé
- Résiste aux températures extrêmes
- Haute résistance à la fatigue
- Résistant à la corrosion, aux acides, aux chlorures
- Compatible avec les implants et les prothèses
Ti-6Al-4V Applications
Le Ti-6Al-4V est utilisé dans les principales applications suivantes en raison de sa combinaison unique de propriétés :
| L'industrie | Applications |
|---|---|
| Aérospatiale | Composants de moteurs d'avion, cellules, fixations, systèmes hydrauliques |
| Biomédical | Implants chirurgicaux, prothèses orthopédiques et dentaires |
| Marine | Hélices, plates-formes offshore, pipelines, échangeurs de chaleur |
| Chimique | Réservoirs, tuyaux, vannes, pompes, cuves de réaction |
| Automobile | Soupapes, bielles, ressorts de suspension |
| Production d'électricité | Aubes de turbines à vapeur, pièces d'incinérateurs de déchets, échangeurs de chaleur |
| Articles de sport | Clubs de golf, cadres de bicyclettes, raquettes de tennis, crosses de hockey |
Le Ti-6Al-4V permet de concevoir des composants et des équipements plus légers, plus rapides et plus durables.
Ti-6Al-4V Spécifications
Le Ti-6Al-4V est couvert par les spécifications suivantes :
| Standard | Titre |
|---|---|
| AMS 4911 | Alliage de titane 6Al-4V, recuit, feuilles/bandes/plaques |
| ASTM B348 | Barres et billettes de titane et d'alliages de titane |
| ASTM F1472 | Alliage corroyé de titane, d'aluminium et de vanadium pour les implants chirurgicaux |
| ASTM F1108 | Alliage de titane, d'aluminium et de vanadium pour implants chirurgicaux |
| AMS 4928 | Moulage à la cire perdue, acier résistant à la corrosion, haute résistance, fusion sous vide, alliages de titane |
| AMS 4965 | Feuilles, bandes et plaques en alliage de titane 6Al -4V recuit |
| MSRR 9545 | Alliage de titane, feuilles, bandes et plaques 6Al – ; 4V, recuit |
Celles-ci couvrent les limites de composition des alliages, les propriétés mécaniques, le traitement thermique, les exigences en matière de microstructure, les essais de corrosion et d'autres paramètres.
Formes du produit Ti-6Al-4V
Le Ti-6Al-4V est produit dans les formes, tailles, formes et finitions suivantes :
| Forme du produit | Gamme de tailles |
|---|---|
| Feuille | 0,4 – ; 6,35 mm d'épaisseur |
| Assiette | 6 – ; 250 mm d'épaisseur |
| Barre | Jusqu'à 650 mm de diamètre |
| Tige | Jusqu'à 650 mm de diamètre |
| Fil de fer | 0,1 – ; 15 mm de diamètre |
| Tube | 2 – ; 300 mm de diamètre |
| Moulages | Dimensions et formes sur mesure |
| Moulures | Dimensions et formes sur mesure |
Les finitions comprennent le laminage à chaud, le laminage à froid, le recuit, le polissage, l'usinage, le décapage, le décalaminage et bien d'autres encore.
Nuances de Ti-6Al-4V
Le Ti-6Al-4V est couvert par les grades ASTM suivants, qui diffèrent par les niveaux minimaux de résistance à la traction et de limite d'élasticité :
| Grade ASTM | Résistance à la traction (min) MPa | Limite d'élasticité (min) MPa |
|---|---|---|
| 5e année | 895 | 825 |
| Grille 23 | 965 | 895 |
| Grille 24 | 1170 | 1103 |
Le grade 5 Ti-6Al-4V présente les propriétés standard, tandis que les grades 23 et 24 sont des variantes à haute résistance.
Ti-6Al-4V Fournisseurs
Le Ti-6Al-4V est facilement disponible auprès des principaux fournisseurs et distributeurs de titane suivants :
- ATI
- VSMPO-AVISMA
- Matériaux métalliques occidentaux
- Baoji Titanium Industry Co.
- Western Superconducting Technologies
- Industries du titane
La capacité mondiale de production d'éponges de titane était estimée à environ 330 000 tonnes en 2020, dont une grande partie était utilisée pour la fabrication de Ti-6Al-4V.
Prix du Ti-6Al-4V
En 2023, le prix du Ti-6Al-4V est d'environ :
| Forme du produit | Fourchette de prix par kg |
|---|---|
| Feuille/plaque | $15 – $50 |
| Bar/Rod | $15 – $35 |
| Fil de fer | $25 – $60 |
| Tube | $20 – $45 |
| Moulages | $25 – $100 |
| Moulures | $25 – $100 |
Les prix varient en fonction de la taille, de l'épaisseur, de la qualité, de la quantité commandée, du traitement, des délais et de la dynamique de l'offre et de la demande. Les usines offrent généralement des remises en fonction du volume.
Usinage du Ti-6Al-4V
Le Ti-6Al-4V a une faible conductivité thermique et la chaleur se dissipe donc lentement pendant l'usinage. Les techniques recommandées sont les suivantes :
- Utiliser des installations rigides pour minimiser les vibrations
- Utiliser des vitesses de coupe élevées avec des avances/profondeurs lentes
- Utiliser des outils à angle de coupe positif élevé avec des arêtes de coupe tranchantes
- Application d'un refroidissement par inondation à l'aide d'émulsions
- Contrôle de la formation de copeaux pour éviter l'écrouissage
Les outils en carbure, en cermet, en CBN et en diamant sont couramment utilisés. Les liquides de refroidissement contenant du soufre doivent être évités.
Ti-6Al-4V Soudage
Le Ti-6Al-4V peut être soudé par GTAW, PAW, LBW et d'autres méthodes. Les précautions à prendre sont les suivantes :
- Maintenir le blindage du gaz inerte pour éviter l'oxydation
- Limiter l'apport de chaleur pour éviter les fissures et la perte de résistance.
- Un traitement thermique post-soudure peut être nécessaire
- Faire correspondre la composition du métal d'apport à celle du métal de base
Les métaux d'apport les plus courants sont ER5356 et ER2319.
Ti-6Al-4V Traitement thermique
Le Ti-6Al-4V peut être traité thermiquement pour modifier sa microstructure et ses propriétés mécaniques :
| Processus | Traitement thermique typique |
|---|---|
| Recuit | 705°C pendant 2 heures, refroidissement à l'air |
| Soulagement du stress | 480 – ; 650°C pendant 2 – ; 4 heures, refroidissement à l'air libre |
| Traitement des solutions | 930 – ; 955°C pendant 1 heure, trempe à l'eau |
| Vieillissement | 480 – ; 595°C pendant 2 – ; 8 heures, refroidissement à l'air libre |
Le recuit améliore la ductilité et l'usinabilité. Le vieillissement augmente la résistance. Un traitement thermique approprié est essentiel pour optimiser les propriétés.
Ti-6Al-4V Forgeage
Le forgeage permet d'obtenir des composants solides en Ti-6Al-4V présentant une excellente résistance à la fatigue. Aspects clés du forgeage :
- Chauffer lentement jusqu'à la température de forgeage 700 – ; 850°C
- Des forgeages multiples avec des recuits intermédiaires peuvent être nécessaires.
- Découpage à chaud des pièces forgées avant recuit
- Recuit après forgeage pour réduire les tensions
- La surépaisseur doit être de 1 – ; 2 mm.
Le forgeage en matrice fermée sous marteau ou sous presse permet d'obtenir les meilleures propriétés. Le titane nécessite des forces importantes pour être forgé.
Moulage de Ti-6Al-4V
Le moulage à la cire perdue du Ti-6Al-4V permet de réaliser des formes complexes avec de bons états de surface :
- Utiliser des portes multiples et des contremarches pour les coulées de son
- Maintenir une atmosphère inerte pendant la fusion et le moulage
- Le pressage isostatique à chaud (HIP) permet d'éliminer les défauts internes
- Fraiser chimiquement la surface pour enlever la caisse alpha
- Recuit des pièces moulées pour améliorer la ductilité
La résistance à la fatigue du Ti-6Al-4V coulé est inférieure à celle des produits corroyés.
Ti-6Al-4V Assemblage
Les méthodes d'assemblage courantes du Ti-6Al-4V sont les suivantes :
- Soudage par fusion (GTAW, PAW, LBW, faisceau d'électrons)
- Brasage à l'aide de métaux d'apport Ti-Cu-Ni
- Fixation mécanique, boulons, rivets
- Collage à l'époxy ou au polyimide
La résistance des joints dépend du procédé utilisé. Il est essentiel de faire correspondre la composition de l'alliage et de minimiser la contamination.
Ti-6Al-4V Manipulation
Pratiques de manipulation recommandées pour le Ti-6Al-4V :
- Utiliser des gants propres pour éviter la contamination par les huiles et les sels de la peau.
- Éviter tout contact avec des métaux dangereux tels que le cadmium, le mercure et le gallium.
- Prévenir l'exposition aux acides, chlorures et autres produits chimiques corrosifs
- Stocker dans un environnement frais, sec et inerte, à l'abri de l'humidité.
- Protection contre les rayures, les entailles et les bosses pendant le transport et le stockage
La poussière de titane est hautement inflammable et sensible aux décharges d'électricité statique. Respectez les procédures de mise à la terre, de ventilation et de nettoyage.
Ti-6Al-4V Sécurité
Mesures de sécurité essentielles pour la manipulation des alliages de titane :
- Porter un EPI approprié – ; protection des yeux, masque anti-poussière, gants
- Utiliser une ventilation locale suffisante lors de l'usinage
- Éviter de respirer les fumées de soudage ou de découpe thermique
- Empêcher l'accumulation de copeaux et de poussière
- Veiller à ce qu'un équipement d'extinction d'incendie adéquat soit disponible
- Respecter les pratiques de sécurité pour les bouteilles de gaz comprimé et les cryogènes
Le titane lui-même est peu toxique, mais son traitement peut générer des particules dangereuses.
Ti-6Al-4V Inspection
Les pièces en Ti-6Al-4V sont généralement inspectées à l'aide de :
- Examen visuel et macroscopique des défauts
- Le ressuage pour détecter les défauts de surface
- Contrôle par ultrasons de l'intégrité interne
- Tests radiographiques utilisant des rayons X ou des rayons gamma
- Méthodes de courants de Foucault pour identifier les fissures et les vides
- Essais d'épreuve et essais sous pression des composants finis
La structure du grain, la profondeur de la couche alpha, l'état de surface et les dimensions sont également couramment vérifiés.
Assurance qualité Ti-6Al-4V
Les fournisseurs de Ti-6Al-4V doivent disposer de systèmes de qualité certifiés :
- ISO 9001 Quality Management
- AS9100 Norme aérospatiale
- Norme ISO 13485 relative aux dispositifs médicaux
- NADCAP Procédés spéciaux comme le traitement thermique et le CND
Les applications aéronautiques et médicales sont soumises à des exigences réglementaires supplémentaires.
Avantages du Ti-6Al-4V
- Excellent rapport résistance/poids
- Résiste aux températures extrêmes
- Résiste à la corrosion dans de nombreux environnements
- Bio-compatible pour les implants
- Peut être traité thermiquement pour adapter les propriétés
- Facile à former et à usiner
- Disponible auprès de nombreux fournisseurs qualifiés
Limites du Ti-6Al-4V
- Plus cher que les aciers et les alliages d'aluminium
- Rigidité inférieure à celle de l'acier
- Ne peut être traité thermiquement jusqu'à la dureté totale
- Sujet au grippage et au grippage pendant l'usinage
- La taille des sections est limitée par les capacités de forgeage et de moulage.
- La fusion nécessite une atmosphère inerte contrôlée
Ti-6Al-4V vs. autres alliages de titane
Comment le Ti-6Al-4V se compare-t-il aux autres alliages de titane courants ?
| alliage | La force | Résistance à la corrosion | Coût | Cas d'utilisation |
|---|---|---|---|---|
| ti-6al-4v | Haut | Excellent | Modéré | Aérospatiale, marine, biomédical |
| CP Titane | Moyen | Excellent | Faible | Produits chimiques, systèmes d'eau de mer |
| Ti-10V-2Fe-3Al | Très élevé | Bon | Haut | Fixations aérospatiales, gréement |
| Ti-3Al-2,5V | Moyen | Excellent | Modéré | Moteurs à réaction, cellules |
| Ti-13V-11Cr-3Al | Haut | Excellent | Très élevé | Composants aérospatiaux |
Le Ti-6Al-4V offre les meilleures propriétés générales à un coût raisonnable. D'autres alliages offrent une résistance plus élevée ou une meilleure résistance à la corrosion pour des applications spécialisées.
FAQ
Q : À quoi sert le Ti-6Al-4V ?
R : Le Ti-6Al-4V est largement utilisé dans l'aérospatiale, la marine, le traitement chimique, le biomédical et les applications grand public où une grande solidité, un faible poids et une résistance à la corrosion sont nécessaires.
Q : Le Ti-6Al-4V est-il plus résistant que l'acier ?
R : Oui, le Ti-6Al-4V présente un rapport résistance/poids supérieur à celui de la plupart des aciers, mais une rigidité inférieure. Il est environ 60 % plus lourd que l'aluminium.
Q : Le Ti-6Al-4V est-il compatible avec les implants médicaux ?
R : Oui, le Ti-6Al-4V présente une excellente biocompatibilité et est couramment utilisé pour les prothèses articulaires, les implants dentaires, les stimulateurs cardiaques et les dispositifs de fixation des fractures.
Q : Le Ti-6Al-4V nécessite-t-il un traitement thermique ?
R : Le Ti-6Al-4V peut être traité thermiquement pour modifier ses propriétés. Le traitement en solution et le vieillissement peuvent augmenter considérablement sa résistance.
Q : Quelle est la différence entre le grade 5 et le grade 23 du Ti-6Al-4V ?
R : Le grade 5 est l'alliage standard avec une résistance à la traction minimale de 895 MPa. La nuance 23 a des exigences de résistance plus élevées, avec un minimum de 965 MPa.
Q : Quelle est la résistance à la corrosion du Ti-6Al-4V ?
R : Le Ti-6Al-4V présente une excellente résistance à la corrosion dans la plupart des acides, des chlorures et de l'eau salée. Sa passivité est maintenue dans une large gamme de pH.
Q : Peut-on souder du Ti-6Al-4V ?
R : Oui, les méthodes de soudage telles que GTAW, LBW et PAW peuvent être utilisées pour souder le Ti-6Al-4V. Des procédures appropriées doivent être suivies pour garantir l'intégrité du joint.
Q : Quel est le coût du Ti-6Al-4V par rapport à d'autres métaux ?
R : Par livre, le Ti-6Al-4V est plus cher que les aciers et les alliages d'aluminium, mais moins cher que les alliages exotiques comme l'Inconel ou l'Hastelloy.
Q : Quelles sont les alternatives au Ti-6Al-4V ?
R : Pour les applications aérospatiales, le Ti-10V-2Fe-3Al offre une plus grande résistance. Pour la résistance à la corrosion, le titane CP ou le Ti-3Al-2,5V sont excellents. Ti-1023 et Ti-5553 sont de nouveaux alliages à haute résistance.