GENERALITE SUR LE TITANE 

Le titane est un métal de transition appartenant au groupe VI-B du tableau de classification des éléments. Il a été découvert par Williams Gregor en 1791. En 1795 Klaproth découvre le même élément dans un rutile provenant de Hongrie et le nomme titans comme les fils puissants de la terre dans la mythologie grecque. A cause d’un procédé d’extraction complexe et couteuse l’utilisation du titane commence tardivement malgré son abondance (neuvième élément le plus abondant sur la terre). Le titane forme des alliages avec plusieurs éléments métallique ou non métallique. Le titane et ses alliages ont des applications dans le domaine de l’industrie, de l’aéronautique, de la médecine, de l’automobile etc.

Le titane pur 

Le titane pur présente deux formes allotropiques : une phase austénitique ⍺ (hexagonale compacte) stable à basse température et une phase martensitique β (cubique centrée) stable à haute température. La température de transformation martensitique/austénitique appelée transus est au environ 882°C. Les paramètres de mailles sont : 𝑎⍺=0.295 nm ; 𝑐⍺=0.468nm et 𝑎𝛽=0.332 nm. 3 Figure 1 : variantes allotropiques du titane (Sophiane achache et al., 2016) Figure 2 : spectre de diffraction du titane alpha d’après la fiche JCPDD 44- 1294 à la température ambiante

 Les grades de titane pur

 Le titane commercialement pur est en fait un alliage de titane avec l’oxygène dans des concentrations définissant quatre degrés de pureté (tableau 1). 4 Tableau 1 : grade du titane selon la composition (Université Numérique Francophone des Sciences, de la santé et du sport) 

Les propriétés du titane pur

 Le titane possède une haute résistance mécanique (de 170 à 480 GPa) et un module d’élasticité très bas (105 GPa), plus proche de celui des structures osseuses (20 GPa) que l’acier inox (220 GPa). En plus de sa bonne résistance à la corrosion, ces propriétés ont fait du titane un matériau très utilisés. L’une des raisons de la résistance à la corrosion du titane est le développement d’une couche protectrice de quelque micromètre constitué majoritairement d’oxyde de titane (Ti𝑂2). Le titane est inaltérable par l’eau, l’air et l’eau de mer grâce à cette couche. Le titane est considéré comme un matériau ayant une bonne ductilité. Tableau 2 : propriétés mécanique du titane pur (Fizanne et al. 2014).

Les procédés de fabrication du titane pur 

Dans la nature le titane se trouve majoritairement sous forme d’oxyde de titane (Ti𝑂2). Il existe plusieurs méthodes d’extraction du titane pur mais le procédé de 5 Kroll est la plus ancienne et la plus efficace. En effet, Guillaume Kroll a découvert en 1940 un procédé de production du titane à l’échelle industriel. Il a réussi à réduire l’oxyde de titane par du magnésium en titane pur à 99.6%. La première étape consiste à opérer une carbochloration sur le dioxyde de titane à 800°C. Ti𝑂2(s) + 2C(s) + 2Cl(g) →Ti𝐶𝑙4(g) + 2CO(g) Le tétrachlorure de titane a une température d’ébullition de 136°C. Il est récupéré par condensation. Il sera décanté, filtré et purifié par distillation fractionnée. La deuxième étape consiste à réduire le tétrachlorure de titane gazeuse sur du magnésium liquide selon la réaction : Ti𝐶𝑙4(g) + 2Mg(l) → 2Mg𝐶𝑙2(l) + Ti(s) La réaction est réalisée sous vide ou sous gaz inerte (argon). Le chlorure de magnésium est séparé par décantation puis par distillation sous vide vers 900 à 950°C. Figure 3 : protocole expérimental du procédé de Kroll 6 Le titane obtenu est un solide poreux faisant penser à une éponge d’où son nom d’éponge de titane. Il a une pureté supérieure à 99%. L’éponge de titane est broyé afin d’obtenir des copeaux de titane. Ce lot est ensuite homogénéisé dans un mélangeur sous gaz inerte. Le lot homogène est ensuite introduit dans la matrice d’une presse. Il est comprimé à froid sous forme de cylindre dense appelé compact. Les compact sont ensuite empilés étage par étage pour former une électrode appelé électrode primaire. Le lingot de titane pur à plus de 99,9% est obtenu par fusion sous vide par électrode consommable ou VAR (Vacuum Arc Remelting) du compact. Cela revient à créer un arc électrique de faible tension et haute intensité (30 à 40 V ; 20 000 à 40 000 A) entre le bas de l’électrode primaire de titane et un creuset en cuivre refroidie par eau au début de l’opération. Au cours de la fusion l’arc est entre l’électrode et le lingot secondaire. Le bas de l’électrode s’échauffe et sa température passe au-delà du liquidus. Les gouttelettes de métal tombent alors dans un puit de liquide contenu dans une gaine de métal. On refond le lingot plusieurs fois selon la pureté désirée. A chaque refusion, on augmente le diamètre des lingots. Ces derniers présentent couramment 1 à 10 tonnes et un diamètre de 0.5 à 1 mètre. 7 Figure 4 : dispositif du procédé de VAR Les lingots d’alliages de titane sont obtenus en mélangeant au compact les éléments d’addition pour obtenir après fusion l’alliage souhaité. 

Application du titane

 L’utilisation du titane dépend généralement de sa pureté et du milieu d’application. Nous allons donner dans le tableau qui suit quelques applications du titane. Désignation Pureté en % Application Ti40 99,99 Excellente résistance à la corrosion. excellente soudabilité. C’est le titane idéal. Grade 1 99,5 Structure 8 aéronautique, industrie chimique. Grade 2 99,2 Moteurs avions, domaine maritime Grade 3 99,1 Domaine maritime, chimique, résistance à la corrosion Grade 4 ou Ti60 99,0 Implants chirurgicaux Conclusion Ce chapitre nous a permis de présenter le titane et ses propriétés. Il nous a permis aussi de voir la méthode de synthèse du titane à partir du dioxyde de titane par la méthode de Kroll. Le titane a des propriétés remarquables surtout quand il est allié à d’autres éléments. Le chapitre suivant va nous permettre de présenter les alliages du titane et les différentes phases susceptibles d’être obtenues et leurs propriétés.