Guillaume Gregor, un minéralogiste et chimiste amateur, a découvert pour la première fois de l'ilménite - du sable noir contenant l'un des métaux les plus légers au monde - au Royaume-Uni en 1791. Quatre ans plus tard, ce métal léger a été isolé et nommé "titane" par un chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth.

Le titane a une résistance comparable à l'acier, le métal le plus utilisé au monde, mais est environ 56% aussi dense et 45% plus léger. Le titane pur est très difficile à extraire de l'ilménite et il a donc fallu environ 145 ans avant que le métal ne devienne généralement utile.

Les alliages de titane sont fabriqués lorsque des quantités contrôlées d'autres éléments, tels que le chrome, fer à repasser, vanadium, aluminium, azote, niobium, molybdène, ruthénium - sont ajoutés au titane.

L'ajout d'autres éléments au titane peut le rendre plus solide ou plus résistant à la corrosion. Cette, à côté d'autres qualités, fabrique des alliages de titane recherchés dans l'aéronautique, automobile, chimique, bijoux, biomédical, construction et autres industries.

Mais le titane et ses alliages sont très chers. Parce que le titane est difficile à extraire de son minerai, la création de produits finis implique de nombreuses étapes complexes qui demandent beaucoup d'énergie et génèrent beaucoup de déchets. Par exemple dans l'industrie aérospatiale, où il est le plus couramment utilisé, 11 kg de titane ne font que 1 kg de produit fini.

Mes collègues et moi cherchons comment développer de nouveaux alliages de titane à faible coût en Afrique du Sud qui pourraient être utilisés dans des secteurs non aérospatiaux. Des recherches comme celle-ci se déroulent ailleurs dans le monde alors que les scientifiques s'efforcent de réduire le coût des alliages de titane.

Si notre travail est couronné de succès, à ma connaissance, il s'agit peut-être des premiers alliages de titane à faible coût conçus localement en Afrique du Sud. Des alliages à bas prix ouvriraient la voie à des voitures économes en carburant et à des implants et prothèses médicaux abordables. L'industrie créerait également des possibilités d'emploi et générerait des revenus grâce aux ventes.

Types d'alliage

Les alliages de titane peuvent exister sous trois formes de base :alpha, bêta et une combinaison d'alpha et de bêta, selon la quantité et le type de métal ajouté.

Les alliages de titane alpha sont créés lorsque des éléments comme l'aluminium, étain, de l'oxygène et de l'azote sont ajoutés au titane. Cela permet à l'alliage de conserver sa structure à des températures allant jusqu'à 882°C et améliore sa résistance. Il est également résistant à la corrosion et au fluage, ce qui signifie qu'il est lent à se déformer sur une longue période d'exposition à des niveaux de stress élevés.

Mais les alliages de titane alpha sont plus difficiles à mettre en forme et, par rapport à d'autres alliages, ne s'améliore pas lorsqu'il est chauffé ou refroidi. Ils sont généralement utilisés pour les structures aérospatiales, les moteurs et les navires qui doivent supporter la pression.

Les alliages de bêta-titane sont fabriqués lorsque de grandes quantités d'éléments, comme le fer, vanadium, chrome et molybdène - sont ajoutés. La résistance à la température ambiante de cet alliage est élevée, tandis que sa résistance à haute température est médiocre. Ces alliages peuvent facilement être mis en forme, même à température ambiante, ce qui en fait un matériau attrayant pour les implants orthopédiques.

Le troisième type d'alliage combine alpha et bêta. Cela signifie que des quantités considérables d'éléments stabilisants alpha et bêta, comme le fer et l'aluminium, sont ajoutées. Cela donne aux alliages une bonne combinaison de résistance et de ductilité. Ils sont de loin l'alliage le plus développé et le plus utilisé. Ils conviennent à un large éventail d'applications, de l'aérospatiale à l'industrie automobile et biomédicale.

Alliages moins chers

Notre objectif est de fabriquer un type moins cher du troisième alliage :une combinaison d'alpha et de bêta.

Nous faisons cela en changeant les quantités d'éléments qui sont dans l'alliage commercial, connu sous le nom de Ti-6Al-4V. Par exemple, nous remplaçons la majeure partie du vanadium par du fer, car le vanadium est rare et cher, environ 150 fois plus cher que le fer. Il faut faire attention à nos proportions car, par exemple, le fer pourrait se séparer pendant la fusion et former différents composés.

Nous avons également réduit la quantité d'aluminium dans l'alliage. En effet, des études antérieures ont rapporté que les alliages de titane contenant de l'aluminium étaient difficiles à former, et a ainsi entraîné l'usure des outils.

L'étape suivante consistait à réduire les déchets lors de la mise en forme des alliages. La formation d'alliages de titane sous différentes formes représente généralement 30% du coût total de production de produits en titane, et jusqu'à 20 % de déchets générés.

Pour ce faire, nous avons examiné dans quelle mesure les microstructures (structure interne que l'on ne peut voir qu'avec des microscopes) peuvent être manipulées pour obtenir les propriétés souhaitées dans les alliages. Cela réduirait les coûts lors de la production commerciale car nous savons jusqu'où nous pouvons étirer ou presser l'alliage sans qu'il se casse.

Production d'alliages

Nous avons produit les alliages par une technique conventionnelle appelée fusion à l'arc sous vide. Le four de fusion à arc sous vide est situé à Mintek – l'organisation nationale de recherche et développement d'Afrique du Sud.

La limitation avec ceci est que seuls des échantillons de la taille d'un bouton ont été produits. Nous ne pouvions donc pas faire d'échantillons pour une grande variété de tests.

Nous avons comparé la dureté des alliages et constaté que les alliages nouvellement fabriqués avaient des valeurs de dureté plus élevées que les alliages alpha et bêta commerciaux. Dans certains cas, ils étaient comparables.

Nous avons également examiné comment les alliages nouvellement fabriqués se corrodent dans les solutions salines et acides et avons constaté qu'ils avaient une meilleure résistance à la corrosion dans les deux solutions.

Nous avons pu tester des échantillons d'alliages à différentes températures et vitesses de formage pour trouver la meilleure combinaison pour former les alliages en formes sans défauts. Nous avons vu que les alliages avaient une large fenêtre de traitement. Seul un petit ensemble de températures et de vitesses de déformation a dû être évité.

Plus à faire

Il y a plus à faire. Nous ne pouvions pas mesurer la résistance à température ambiante de ces alliages car nous avions besoin d'échantillons plus gros.

Nous n'avons pas non plus étudié la soudabilité de ces alliages ni la facilité avec laquelle il est usiné de les découper en différentes formes et tailles. L'usinage des alliages de titane représente environ 30 à 40 % du coût total de leur fabrication.

Grâce au soutien d'un programme de bourses postdoctorales de l'Académie africaine des sciences, nous avons reçu un financement pour poursuivre nos études sur les alliages nouvellement développés. Nous sommes désormais en mesure de produire de plus gros échantillons à l'aide du four de fusion à induction sous vide du Conseil de la recherche scientifique et industrielle.

Le défi majeur lors de la fabrication d'alliages plus gros est que nous devions improviser. Nous avons utilisé un four de fusion sous vide qui n'est pas conçu pour fabriquer de nouveaux alliages. Le bon four est disponible en Afrique du Sud, mais a besoin de réparation.

Cependant, nos résultats à ce jour sont encourageants.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.