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14ème Congrès Mondial du Titane … On vous raconte !

Première fois en France depuis 1988, la 14ème édition du congrès mondial du titane s’est déroulée à La Cité des Congrès de Nantes du 10 au 14 Juin 2019. C’est un grand évènement qui rassemble la communauté mondiale du titane avec la présence des chercheurs, des scientifiques et des industriels. L’Association Française du Titane et la Société Française de la Métallurgie et des Matériaux (SF2M) sont les co-organisateurs du congrès Ti-2019 avec le support du Pole EMC2.

Le congrès a rassemblé 700 participants provenant de 34 pays ainsi que 85 exposants. Les principales nations représentées en terme de nombre de participants sont données par le graphe ci-dessous.
Nations participantes Congres Mondial Titane 2019

                         

 

La première demi-journée a été consacrée aux séances plénières portées sur la situation actuelle, le développement et les activités de recherche au tour du titane et présentées par les sept membres du comité international : Royaume-Uni, Japon, Etats-Unis, Allemagne, Chine, CEI- communauté des Etats Indépendants et France.

Les communications se sont ensuite déroulées en neuf sessions parallèles sur trois jours. Onze thèmes ont été abordés. Le tableau suivant donne les différents thèmes ainsi que le nombre de communications par thème.

Nombre de communications Congrès Mondial Titane 2019

Nombre de communications présentées au 14ème Congrès Mondial du Titane 2019.

 

Une riche diversité de présentations a été proposée entre les activités de recherches à caractère académique et les activités de recherche plutôt orientées applications industrielles. Sont abordés principalement les domaines de l’aéronautique, du biomédical et de l’automobile en plus de quelques exemples cités dans le domaine du génie civil.  

Un axe de recherche très présent dans ce congrès et commun à toutes les sessions reflétant son importance est la compréhension de la relation microstructure/propriétés mécaniques couvrant les différents types d’alliages de titane. Les principaux champs d’investigation expérimentale sont l’impact de la déformation suite aux procédés de mise en forme, l’évolution microstructurale suite aux traitements-thermomécaniques, effet de la texture cristallographique, analyse fine des mécanismes de déformation plastique… D’autre part, les approches de modélisation et les simulations numériques multi-échelles gagnent de plus en plus de terrain mettant en évidence leur performance en termes de capacité prédictive et leur intérêt en tant que guide d’optimisation et moyen de gain de temps.

Intermétalliques

Les alliages intermétalliques à base de TiAl se trouvent de plus en plus convoités en particulier pour les applications aéronautiques. Cette forte attractivité est due aux propriétés mécaniques uniques qu’offre cette classe d’alliage à savoir une faible densité (plus faible que celle des superalliages), un module d’Young élevé, une bonne résistance à l’oxydation et excellentes propriétés et stabilité mécaniques à températures élevées (entre 600°C et 800°C). Ces propriétés rendent les intermétalliques à base de TiAl des candidats prometteurs dans les turbomachines au remplacement des alliages de titane des parties chaudes du turbocompresseur, ou des superalliages base nickel dans les étages basse pression de la turbine.

GfE – AMG (Gesellschaft fur Elektrometallurgie mbH- Advanced Metallurgical Group) a souligné la croissance du besoin en alliage TiAl dans le domaine aéronautique dans les années à venir et a évoqué qu’entre 2012 et 2025 le besoin total estimé en ailettes de turbine en TiAl dépasse 2.5 million de pièces avec un croissance de 300 000 ailettes par an. Dans un futur proche, des ailettes de turbine en Ti-48Al-2Cr-2Nb (at. %) fabriquées par la technologie EBM (fabrication additive) sont attendues pour l’année 2021 pour intégrer le réacteur GE9X destiné au futur Boeing 777X.

Certains travaux ont été dédiés à l’étude et à l’optimisation des procédés d’élaboration. On peut citer comme exemple les travaux d’Acronic portant sur l’élaboration de l’alliage base TiAl (de composition Ti-48Al-2Cr-2Nb at.%) utilisant un four à plasma à trois torches. La fusion et la solidification de ce matériau complexe posent de nombreux défis en matière de fabrication et de métallurgie. L’accent est mis sur l’impact des paramètres de coulée sur les défauts internes, la fissuration sous contrainte résiduelle et les propriétés mécaniques résultantes ainsi que sur les évolutions métallurgiques suite à la compression isostatique à chaud et effets sur les défauts internes.

Recyclage du titane

Le recyclage du titane est un axe primordial et stratégique de développement en particulier en Europe, étant donné qu’elle est parmi les fournisseurs majeurs de déchets/chutes de titane sans l’existence jusqu’à présent d’installation européenne dédiée au recyclage de titane (de qualité aéronautique). Dans ce cadre, MetaFensch et ses partenaires industriels Aubert&Duval et Safran ont présenté l’avancement du projet Ecotitanium qui a pour objectif le développement du recyclage du titane en lingots de qualité aéronautique via l’optimisation des paramètres de fusion et d’affinage.  Le moyen mis en œuvre est un four pilote semi-industriel PAM-CHR (plasma arc melting – cold hearth refining) équipé de  trois torches à plasma et composé de deux creusets froids (un pour la fusion et un pour l’affinage de l’alliage de titane liquide). Ce four permet de couler des lingots de 100 ou 150 mm de diamètre. Les travaux permettant de comprendre les mécanismes physico-chimiques impliqués dans l’interaction de l’arc plasma avec le métal liquide.

L’influence de divers paramètres tels que le type de chargement, les paramètres de l’arc plasma, la pression de fonctionnement sur la qualité finale du lingot de coulée (cas du TA6V et TiAl) a été discutée. En complément à ce travail expérimental, des moyens numériques de modélisation ont été développés afin de prédire et de maximiser l’efficacité du flux thermique en étudiant la contribution du flux de chaleur transféré de la torche de plasma à la surface du bain liquide.

La valorisation des chutes de titane s’inscrit dans une démarche d’économie circulaire avec un impact écologique évident et retombées économiques évitant en particulier les risques liés aux fluctuations des prix des matières premières.

Environnement gazeux

La réactivité du titane avec son environnement gazeux est l’une des préoccupations liées à ce matériau. Les alliages de titane se caractérisent par la formation d’une couche d’oxyde TiO2 qui a un effet protecteur. L’exposition à  des températures élevées dans des environnements oxydants induit la perte de cet effet protecteur due à la dégradation de cette couche laissant ainsi possible la pénétration d’oxygène. Cet enrichissement entraîne une détérioration des propriétés mécaniques.

Quelques communications ont traité cette problématique afin de comprendre les interactions et les phénomènes physiques ainsi que le rôle des éléments interstitiels. L’effet de l’enrichissement en oxygène sur les propriétés élastiques et sur le comportement mécanique en fluage a été investigué par le CIRIMAT (Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux). Ces travaux ont montré qu’une zone enrichie en oxygène occupant 5% de la section d’un échantillon est suffisant pour induire des changements détectables dans son comportement mécanique macroscopique pendant le fluage.

Par ailleurs, l’azote est un oxydant secondaire qui se dissout également dans le titane lors de l’oxydation à l’air. Son rôle a été étudié par des tests d’exposition à températures élevées sous différents airs synthétiques (mélange 20% d’O2 – 80% de N2  et un mélange de 20% d’O2 –  80% de Ar). Cette étude a montré que l’introduction de l’azote crée une barrière et diminue la pénétration de l’oxygène grâce à la formation de couche de nitrure Ti2N mise en évidence par sonde atomique tomographique. 
Ces problématiques rencontrées sur des pièces massives sont également valables pour les poudres de titane. Quelques études se sont intéressées à l’oxydation de la poudre et l’impact engendré sur les caractéristiques morphologiques et texturales de la poudre.

Fabrication additive

La rupture technologique apportée par la fabrication additive pousse à une meilleure compréhension et maîtrise de cette technologie. Considérée comme prometteuse pour la conception de pièces métalliques complexes, elle a permis de repenser l’ingénierie de conception et de production. 
Les communications dédiées à la fabrication additive ont eu une place importante dans ce congrès et les différentes technologies ont été abordées :  procédés basées sur la fusion sur lit de poudres (tels que la fusion sélective au laser (SLM), la fusion par faisceau d’électrons (EBM), …) ; procédés basés sur  dépôt direct de métal (DMD)) ( tels LENS (Laser Engineered Net Shaping) ou CLAD® (Construction Laser Additive Direct), …) ou procédé de dépôt de fil à l’arc (WAAM). 
Cette technologie impose des contraintes. Le processus de solidification assez complexe impacté par la stratégie de fabrication et les différents paramètres de construction est un vrai levier d’optimisation. La croissance des grains à travers les couches et les orientations cristallographiques sont influencées par le gradient thermique conséquence du choix de la stratégie de construction. La corrélation entre état microstructural, stratégie et propriétés mécaniques des pièces obtenues a été le sujet de plusieurs communications. Des travaux assez poussés sont entrepris dans une optique d’optimisation et de meilleure compréhension des phénomènes physiques et de l’impact de chaque paramètre.

L’état de surface des pièces issues de la fabrication additive ainsi que la répétabilité du process sont également un point important à prendre en compte. Plusieurs paramètres sont identifiés comme influents sur l’état de surface (rugosité). L’application des traitements thermiques ou thermomécaniques sur les pièces pour relaxer les contraintes internes ou pour faire évoluer la microstructure et les phases constituantes vers un objectif de caractéristiques mécaniques visé constitue également une problématique traitée.

Des recherches ont été également menées sur le développement de la technologie de fabrication additive utilisant la fusion par faisceau d’électrons (EBM) de la classe d’alliages base TiAl à l’Institut Paton Electric Welding d’Ukraine. Ces études ont comporté un volet numérique avec le développement des modèles mathématiques des processus d’évaporation lors de la fabrication EBM et l’aspect thermique ainsi qu’un volet expérimental de fabrication avec addition d’éléments réfractaires et d’alliages volatils suivie par l’examen de la composition et de la structure. Il a été montré que la fusion par faisceau d’électrons permet d’obtenir des pièces chimiquement homogènes et constitue un procédé prometteur pour la production d’une telle classe de matériaux.

La simulation numérique est une alternative à la multiplication des essais expérimentaux pour améliorer et optimiser le procédé de fabrication additive. Cependant et malgré les avancées dans le domaine, ceci reste difficile puisqu’elle doit prendre en compte des phénomènes thermiques, métallurgiques et mécaniques complexes se produisant pendant le dépôt.

Pour répondre aux besoins croissants des technologies de fabrication additive en matière première et en particulier à leur exigence en termes de qualité de poudre, plusieurs travaux sont conduits dans ce sens. Les deux familles de techniques adaptées au titane sont les technologies plasma et l’atomisation par gaz. L’optimisation des moyens d’atomisation est nécessaire avec la maîtrise des différents paramètres et leur impact sur la qualité de la poudre sachant que les exigences sont différentes en fonction des technologies de fabrication.

Secteur Médical

Le titane est un matériau de choix pour les applications biomédicales grâce à sa biocompatibilité et ses propriétés mécaniques intéressantes. Des efforts sont fournis pour développer des nuances d’alliage base titane avec des éléments biocompatibles mais également de faire adapter les propriétés mécaniques aux exigences de ces applications bien spécifiques. Les propriétés requises dépendent du dispositif médical considéré.

Plusieurs pistes sont étudiées et présentées ; développer des nouvelles nuances en ajoutant des éléments d’alliage (tels que les alliages Ti- 0.44O-0.5Fe-0.08C-0.4Si ; Ti-0.44O-0.5Fe-0.08C-2.0Mo, alliage à effet mémoire de forme de composition Ti-Nb-Cu…) ou incorporer des éléments interstitiels tel que l’addition d’oxygène en tant que nouvelle stratégie de durcissement pour améliorer le compromis résistance mécanique/ductilité.

Une nouvelle famille d’alliage ternaire contenant du zirconium et des teneurs en oxygène très élevées (jusqu’à 0,8% mass.%) en tant qu’éléments d’alliage a été présentée. Ces alliages manifestent un effet surprenant et une tolérance à la présence d’oxygène (sans effet de fragilisation). Ils présentent une combinaison intéressante de résistance mécanique et de ductilité (jusqu’à plus de 1000 MPa et 25%, respectivement, à l’état recristallisé). Des recherches sont poursuivies pour vérifier l’impact de ces éléments d’alliages lors des procédés de mise en forme.

Dans le domaine de l’implantologie, l’interaction mécanique via le transfert homogène de contraintes entre l’os et l’implant est à l’origine de la réussite de l’implant ; ceci est conditionné par l’ajustement du module élastique qui doit être le plus proche de celui de l’os humain. Dans ce cadre, des travaux sont entrepris pour tirer profit des nouvelles technologies telles que la fabrication additive donnant la possibilité de réaliser des dispositifs médicaux implantables sur mesure mais également d’ajuster le module élastique en contrôlant la stratégie de balayage et en donnant une texture cristallographique favorable.

Des études cliniques viennent également apporter des réponses aux préoccupations d’ordre biologique en cas d’usure d’implant. Des recherches sont effectuées pour évaluer les effets indésirables avec des tests in-vitro pour le cas d’usure par frottement des jonctions coniques liant tête et tige fémorale pour les implants de remplacement de hanche.

Vers l’hybridation des procédés  

L’hybridation des procédés est née de nouvelles synergies entre les procédés dites ‘classiques’ et les nouvelles technologies.

Dans cette optique, le projet MAMA (Metallic Advanced Materials for Aeronautics) a été présenté ; il associe l’IRT Saint-Exupéry, Airbus, Aubert&Duval, la firme américaine Sciaky et le laboratoire génie de production de l’ENIT (Ecole Nationale d’ingénieurs de Tarbes). L’objectif de ce projet est de réduire les coûts de production des pièces forgées (visant jusqu’à 40% de réduction) en visant une hybridation des procédés forgeage/matriçage et la fabrication additive.

Un autre exemple d’hybridation des procédés présenté à ce congrès est le couplage de la technologie de dépôt direct par laser (procédé DLD) et un micro-laminage. Ce nouveau procédé vient répondre à la problématique de microstructure obtenue par le procédé DLD et qui se constitue essentiellement par des gros grains colonnaires due au refroidissement directionnel. Le challenge est de bien maîtriser la cinétique des croissances des grains et le développement de la texture. L’anisotropie (par rapport à la direction de construction des pièces) est atténuée avec une microstructure plus fine et  une amélioration des propriétés mécaniques est constatée.

L’intérêt des alliages de titane toute catégorie confondue est en continuelle augmentation. Ce matériau tient toutes ses promesses en tant que matériau de choix pour diverses applications. Développer de nouvelles compositions d’alliages, rendre plus performants les technologies de fabrication, améliorer et rendre plus robustes les outils numériques sont autant de leviers d’avancement.

Ce congrès a été l’occasion de découvrir les nouveaux domaines de recherche, les progrès et les évolutions technologiques et également un lieu d’échanges au cœur d’enjeux industriels majeurs dans de nombreux domaines.

Contact : Wafa Elmay, Experte Projets Métallurgie à CTIF.