Exigences techniques et normes référencées pour les plaques en alliage de titane
1. Classification et qualités des matériaux
Les plaques d'alliage de titane sont largement classées en quatre catégories en fonction de leur microstructure et de leur composition en alliage. Les alliages alpha, tels que Ti-5Al-2,5Sn (grade 6), contiennent principalement des stabilisants alpha comme l'aluminium et l'étain. Ces alliages offrent une excellente soudabilité et une excellente résistance au fluage à des températures élevées, ce qui les rend adaptés aux structures de cellule et aux applications cryogéniques. Les alliages alpha proche-, notamment Ti-8Al-1Mo-1V (grade 9) et Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, incorporent de petites quantités de stabilisants bêta tout en conservant une structure à dominante alpha. Ils offrent une meilleure stabilité à haute température aux composants des moteurs de turbine à gaz.
Les alliages alpha-bêta représentent la catégorie la plus largement utilisée, le Ti-6Al-4V (grade 5) étant l'alliage de référence dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et de l'industrie. Cet alliage atteint un équilibre optimal entre résistance, ductilité et ténacité à la rupture grâce à sa microstructure à deux phases. La variante interstitielle très faible, Ti-6Al-4V ELI (grade 23), limite la teneur en oxygène, en fer et en hydrogène pour améliorer la tolérance aux dommages pour les applications critiques. Les alliages bêta tels que Ti-10V-2Fe-3Al et Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn peuvent être traités en solution et vieillis pour atteindre les niveaux de résistance les plus élevés parmi les alliages de titane, avec des avantages particuliers en termes de formabilité avant traitement thermique.
2. Exigences en matière de composition chimique
La composition chimique des plaques en alliage de titane doit être étroitement contrôlée pour garantir des propriétés mécaniques et une résistance à la corrosion constantes. Pour le Ti-6Al-4V (grade 5), la teneur en aluminium varie de 5,50 à 6,75 pour cent, tandis que celle de vanadium varie de 3,50 à 4,50 pour cent. Le fer est limité à 0,30 pour cent maximum, l'oxygène à 0,20 pour cent, le carbone à 0,08 pour cent, l'azote à 0,05 pour cent et l'hydrogène à 0,015 pour cent. Le total de tous les éléments résiduels ne doit pas dépasser 0,40 pour cent.
Pour la qualité ELI, l'aluminium est limité à 5,50 à 6,50 pour cent, le fer à 0,25 pour cent maximum, l'oxygène à 0,13 pour cent et l'hydrogène à 0,0125 pour cent. Ces niveaux interstitiels réduits améliorent considérablement la ténacité à la rupture et la ductilité, c'est pourquoi ce grade est obligatoire pour les implants chirurgicaux et les composants structurels critiques de l'aérospatiale. Ti-5Al-2.5Sn (grade 6) permet d'avoir de l'aluminium entre 4,00 et 6,00 pour cent, de l'étain entre 2,00 et 3,00 pour cent, du fer jusqu'à 0,50 pour cent et de l'hydrogène jusqu'à 0,020 pour cent. La limite d'oxygène correspond à la norme Ti-6Al-4V à 0,20 pour cent.
3. Exigences en matière de propriétés mécaniques
À température ambiante dans le sens longitudinal, la plaque Ti-6Al-4V doit atteindre une résistance à la traction minimale de 895 MPa, une limite d'élasticité minimale à un décalage de 0,2 % de 828 MPa, un allongement minimum de 10 % et une réduction minimale de la surface de 25 %. La variante ELI conserve les mêmes exigences d'allongement et de réduction, mais avec des niveaux de résistance légèrement réduits : résistance à la traction minimale de 860 MPa et limite d'élasticité minimale de 795 MPa. Le Ti-5Al-2.5Sn nécessite une résistance à la traction minimale de 827 MPa, une limite d'élasticité minimale de 759 MPa et des mesures de ductilité correspondantes.
Pour un service à température élevée, la plaque Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo doit démontrer une résistance à la traction minimale de 620 MPa à 315 degrés Celsius, avec une résistance au fluage vérifiée à 425 degrés Celsius. La ténacité à la rupture représente un paramètre critique pour une conception tolérante aux dommages. La plaque Ti-6Al-4V ELI doit atteindre une ténacité à la rupture par déformation plane K_IC d'au moins 75 MPa racine carrée de mètre, tandis que Ti-5Al-2.5Sn nécessite 55 MPa racine carrée de mètre minimum. Les besoins en énergie d'impact Charpy V-notch sont respectivement de 20 joules et 16 joules.
4. Tolérances dimensionnelles et état de surface
La tolérance d'épaisseur varie en fonction de l'épaisseur de la plaque. Pour les plaques jusqu'à 6,35 millimètres, la tolérance standard est de plus ou moins 0,13 millimètres, avec une tolérance de précision resserrée à plus ou moins 0,08 millimètres. Entre 6,35 et 25,4 millimètres, la tolérance standard devient plus ou moins 0,25 millimètres, avec une précision de plus ou moins 0,13 millimètres. Pour les plaques dépassant 25,4 millimètres jusqu'à 50,8 millimètres, la tolérance standard est de plus ou moins 0,38 millimètres et la tolérance de précision est de plus ou moins 0,25 millimètres.
La tolérance de largeur est de plus 6,35 millimètres sans moins dans des conditions standard, serrée à plus 3,18 millimètres pour plus de précision. La tolérance de longueur est de plus 25 millimètres en standard, plus 13 millimètres de précision. La planéité ne doit pas dépasser 3,2 millimètres par mètre selon les exigences standards, ou 1,6 millimètres par mètre pour les plaques de précision. Le carrossage des carres est limité à 3,2 millimètres par 3 mètres en standard et à 1,6 millimètres par 3 mètres de précision.
Les exigences en matière de finition de surface dépendent de la méthode de traitement. Les plaques laminées à chaud-doivent atteindre une rugosité de surface Ra ne dépassant pas 6,3 micromètres. Les plaques laminées à froid-ou décapées chimiquement nécessitent un Ra ne dépassant pas 3,2 micromètres. Les plaques rectifiées de précision-exigent un Ra ne dépassant pas 1,6 micromètres.
5. Exigences métallurgiques
La microstructure de la plaque d'alliage de titane alpha-bêta à l'état recuit à l'usine-doit être constituée d'une phase alpha primaire équiaxe distribuée dans une matrice bêta transformée. La phase alpha continue aux limites des grains n'est pas autorisée car elle dégrade la ductilité et la résistance à la fatigue. La taille des grains doit être ASTM 5 ou plus fine, avec une production typique atteignant ASTM 6 à 8. Le boîtier alpha, cette couche superficielle dure enrichie en oxygène-formée lors du traitement à haute-température, doit être complètement éliminée. La vérification nécessite un profil de micro-dureté ne montrant aucun pic de dureté à la surface, ou un examen métallographique confirmant qu'il ne reste aucune couche alpha-stabilisée.
Les taches bêta, qui sont des régions localisées d'enrichissement en stabilisateur bêta, sont interdites dans les applications aérospatiales critiques. Ils sont détectés par macro-inspection de gravure à l'aide de réactifs appropriés. Le contenu des inclusions est évalué selon la méthode A de la norme ASTM E45, avec des niveaux maximaux admissibles de A2, B2, C2 et D2 pour les inclusions minces, lourdes, de silicate et d'oxyde globulaire, respectivement.
6. Exigences en matière de tests non destructifs
Les tests par ultrasons sont obligatoires pour toutes les plaques de 6,35 mm d'épaisseur et plus, effectués selon les critères AMS-STD-2154 de classe A. Aucune indication dépassant l’équivalent d’un trou à fond plat de 3,2 millimètres n’est acceptable. Les tests de ressuage s'appliquent à toutes les surfaces finies selon ASTM E1417, sans indication linéaire dépassant 3,2 millimètres de longueur. Les tests radiographiques sont réservés aux zones soudées ou réparées selon ASTM E1742. Les tests par courants de Foucault peuvent remplacer les tests par ultrasons sur des plaques minces inférieures à 6,35 millimètres, en suivant les procédures ASTM E426 avec une sensibilité établie par accord entre l'acheteur et le fournisseur.
7. Conditions de traitement thermique
La plaque recuite-en usine est traitée entre 704 et 760 degrés Celsius, suivie d'un refroidissement à l'air. Cette condition fournit des propriétés équilibrées pour les applications générales. Le recuit duplex implique un traitement en solution à 954 degrés Celsius avec trempe à l'eau, suivi d'un refroidissement à l'air à 538 degrés Celsius, améliorant ainsi la ténacité à la rupture pour les conceptions tolérantes aux dommages-. La plaque traitée en solution et vieillie atteint une résistance maximale grâce à un traitement à 927 degrés Celsius avec trempe à l'eau, puis à un vieillissement à 538 degrés Celsius pendant 4 à 8 heures. Un recuit bêta à 1 010 degrés Celsius avec refroidissement par air, suivi d'une stabilisation à 760 degrés Celsius, produit une microstructure bêta transformée optimisée pour la résistance au fluage dans les applications de moteurs aérospatiaux. La relaxation des contraintes entre 538 et 649 degrés Celsius suit les opérations d'usinage ou de formage.
Tout traitement thermique doit avoir lieu sous vide entre 10 et moins 3 millibars ou mieux, ou dans une atmosphère d'argon de haute pureté-. Tout cas alpha formé lors du traitement thermique doit être complètement éliminé avant l’inspection finale.
8. Normes référencées
La spécification principale pour les tôles en alliage de titane est la norme ASTM B265, qui couvre les bandes, feuilles et plaques de titane et d'alliage de titane. Cette norme définit les limites de composition chimique, les exigences en matière de propriétés mécaniques, les tolérances dimensionnelles et les dispositions générales en matière de qualité. ASTM B348 pour les barres et les billettes fournit des références supplémentaires pour les essais mécaniques.
Pour la méthodologie des essais mécaniques, ASTM E8 et E8M régissent les essais de tension des matériaux métalliques. La vérification de la dureté suit ASTM E18 pour la dureté Rockwell ou ASTM E10 pour la dureté Brinell. L'évaluation du contenu d'inclusion utilise la norme ASTM E45, adaptée aux alliages de titane. La mesure de la taille des grains suit la norme ASTM E112. Le profilage de micro-dureté selon ASTM E384 détecte le cas alpha résiduel. La préparation et la gravure des échantillons métallographiques suivent respectivement ASTM E3 et ASTM E407.
Les normes de contrôle non destructif {{0} incluent ASTM E1417 pour les tests de ressuage, ASTM E1742 pour l'examen radiographique et ASTM E426 pour les tests électromagnétiques par courants de Foucault des produits minces. Des conseils sur la préparation des surfaces et le détartrage se trouvent dans la norme ASTM B600.
Les spécifications des matériaux aérospatiaux fournissent des exigences plus strictes pour les applications critiques pour le vol. L'AMS 4907 couvre la plaque Ti-6Al-4V à l'état recuit. L'AMS 4911 concerne les plaques Ti-6Al-4V traitées en solution et vieillies. AMS 4930 spécifie une plaque Ti-6Al-4V à très faible interstitiel. AMS 4940 s'applique à la plaque Ti-5Al-2.5Sn. L'AMS 4943 couvre les plaques d'alliage bêta Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn. L'AMS 4945 concerne les plaques en alliage quasi-alpha Ti-8Al-1Mo-1V. Les critères d'acceptation de l'inspection par ultrasons sont définis dans l'AMS-STD-2154.
Les anciennes spécifications militaires incluent MIL-T-9046 pour les feuilles, bandes et plaques de titane, et MIL-T-9047 pour les barres et les pièces forgées. Les tests environnementaux suivent MIL-STD-810.
Les normes internationales incluent ISO 5832-3 pour les implants chirurgicaux en alliage Ti-6Al-4V forgé et ISO 5832-10 pour les implants en alliage Ti-5Al-2.5Fe. Les normes britanniques BS 2TA 2 et BS 2TA 11 couvrent les feuilles et plaques Ti-6Al-4V. La norme allemande DIN 17850 fournit des spécifications techniques pour les alliages de titane corroyés. Le japonais JIS H4600 concerne les feuilles, les plaques et les bandes. La norme nationale chinoise GB/T 3621 et la norme militaire GJB 2505A s'appliquent aux plaques en alliage de titane de qualité aéronautique.
9. Application-Exigences spécifiques
Les applications structurelles aérospatiales exigent des-données de fatigue cyclique élevées, une analyse de la tolérance aux dommages et une conformité CND de niveau A selon AMS 4907, AMS 4911 et AMS-STD-2154. Les composants de moteurs aérospatiaux nécessitent des propriétés de traction à température élevée, une vérification de la résistance au fluage et des tests de stabilité thermique conformément aux normes AMS 4945 et ASTM E139.
Les applications d'implants médicaux imposent des tests de biocompatibilité, y compris des tests de cytotoxicité et de sensibilisation, avec un matériau de qualité ELI obligatoire selon les normes ISO 5832-3, ASTM F136 et ASTM F1472. Les équipements de traitement chimique nécessitent une validation de la résistance à la corrosion dans des milieux de traitement spécifiques et une soudabilité démontrée selon ASTM B265, ASTM G28 et NACE MR0175 ou ISO 15156. Les structures marines et offshore doivent résister à la corrosion par l'eau de mer et démontrer leur compatibilité avec les systèmes de protection cathodique selon ASTM B265 et DNV-OS-B401. Les applications nucléaires contrôlent la section efficace d'absorption des neutrons, la stabilité du rayonnement et la teneur en éléments traces conformément à l'ASME Boiler and Pressure Vessel Code, section II, partie D.
10. Certifications et documentations
Chaque lot de production doit être accompagné d'un certificat de test en usine documentant les résultats d'analyse chimique, les résultats des tests de propriétés mécaniques, la traçabilité du numéro thermique et les dimensions réelles mesurées. Ce certificat est obligatoire selon ASTM B265. Les certificats de tests non destructifs rapportent des résultats ultrasoniques, pénétrants ou radiographiques avec les dossiers de qualification des opérateurs. Les rapports métallurgiques incluent des photomicrographies de microstructure, la taille des grains mesurée et les indices d'inclusion pour les applications critiques. Les certificats de traitement thermique documentent les paramètres du cycle, le type d'atmosphère et les enregistrements d'étalonnage des thermocouples. Des rapports de traçabilité complets établissent l'origine des matériaux, les pratiques de fusion et l'historique complet du traitement, ce qui est essentiel pour la conformité réglementaire dans le domaine de l'aérospatiale et des dispositifs médicaux.
