M2355

Métallurgie et recyclage du titane
et de ses alliages
par
Yves COMBRES
Docteur en sciences et génie des matériaux
Ingénieur de recherches à CEZUS
1.
Éléments de métallurgie physique......................................................
2.
2.1
2.2
2.3
Métallurgie extractive et matières premières .................................
Obtention de l’oxyde ...................................................................................
Procédés de réduction classiques Kroll ou Hunter ...................................
Autres procédés...........................................................................................
2.3.1 Réduction du fluorotitanate de calcium............................................
2.3.2 Électrolyse en sels fondus .................................................................
2.3.3 Électroraffinage...................................................................................
2.3.4 Procédé Van Arkel...............................................................................
2.3.5 Procédé DITINGOT .............................................................................
Recyclage .....................................................................................................
2.4.1 Chutes massives .................................................................................
2.4.2 Copeaux...............................................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
3
3
4
6
6
6
6
6
6
7
7
7
Élaboration.................................................................................................
Techniques conventionnelles .....................................................................
3.1.1 Préparation de l’électrode..................................................................
3.1.2 Refusion à l’arc sous vide ..................................................................
3.1.3 Refusion à électrode non consommable ..........................................
3.1.4 Refusion sur sole froide .....................................................................
Procédés à l’étude .......................................................................................
3.2.1 Refusion en skull.................................................................................
3.2.2 Refusion sous laitier ...........................................................................
3.2.3 Coulée en creuset froid ......................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
7
7
7
8
9
9
10
10
10
10
4.
Première transformation .......................................................................
—
11
5.
Applications ..............................................................................................
—
12
6.
Conclusion .................................................................................................
—
13
2.4
3.
3.1
3.2
M 2 355
6 - 1997
Pour en savoir plus...........................................................................................
M 2 355 - 2
Doc. M 2 355
e titane a pour symbole Ti dans la classification périodique des éléments ;
sa masse atomique est de 47,5 et son numéro atomique 22. C’est un corps
très répandu sur la terre, quatrième métal suivant l’ordre décroissant d’abondance dans l’écorce terrestre, il constitue 0,44 % de la masse de celle-ci, à
comparer à 8 % pour l’aluminium, 5 % pour le fer et 2 % pour le magnésium.
L’obtention du métal à partir du minerai a nécessité une longue mise au point.
En effet, il s’avère que sa métallurgie extractive est très délicate. On n’a pu obtenir
du métal ductile, et donc propre à la fabrication de pièces, qu’à partir de 1910.
Cela explique les développements tardifs de ses applications industrielles qui
n’ont débuté que vers 1950.
L
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M 2 355 − 1
MÉTALLURGIE ET RECYCLAGE DU TITANE ET DE SES ALLIAGES
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De nos jours, la consommation du minerai est essentiellement réalisée par
l’activité des pigments et des charges (90 à 95 % du minerai extrait) qui concerne
l’industrie de la peinture, celles des matières plastiques, celle du papier et celle
des céramiques. 5 à 10 % du minerai trouve des applications dans le domaine
de la métallurgie, sous forme de ferrotitane pour les additions des aciers, ou
pour élaborer des alliages de titane. De façon sommaire, on peut dire que ces
derniers présentent des caractéristiques mécaniques élevées (compromis résistance mécanique-ductilité compris entre 400 MPa-50 % pour les titanes non alliés
et 1 500 à 2 000 MPa-5 à 15 % pour les formulations les plus chargées en éléments
d’addition) pour une masse volumique faible (4,54 g/cm3).
Du point de vue des propriétés spécifiques (propriété divisée par la masse volumique), les alliages de titane se placent donc avant les alliages d’aluminium et
les aciers ; néanmoins, le prix de revient des pièces est élevé. Cela permet de
comprendre leur développement important plutôt dans les domaines aéronautique, spatial et de l’armement. Le titane non allié possède une excellente
tenue à la corrosion et une très grande souplesse de mise en forme : cela explique
aussi des applications importantes dans le domaine de l’industrie chimique, des
usines de dessalement d’eau de mer, des centrales nucléaires, exploitation pétrolière off-shore et du génie civil (plaques d’ornement, protection de piles de
pont...).
Les objectifs de cet article sont de présenter quelques éléments de métallurgie
du titane, puis de s’attacher aux étapes de fabrication des demi-produits en
passant en revue : métallurgie extractive, élaboration et première transformation.
Figure A – Secteurs d’utilisation du titane
en France en 1995
1. Éléments de métallurgie
physique
Historique
Le titane a été découvert relativement récemment. En effet, ce
n’est qu’en 1790 que le Révérend William Gregor trouva l’oxyde
d’un élément inconnu dans les sables noirs de la Côte de
Cornouailles présentant des propriétés magnétiques ; il n’identifia pas le métal. Ce fut le chimiste allemand Klaproth qui le fit
et qui le nomma « titane », en 1795, par référence aux « Titans »,
forgerons des Enfers de la mythologie grecque. On trouve ses
minerais aux Canada, États-Unis, Brésil, Norvège, Afrique du
Sud, Inde, Chine, Australie, CEI...
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Le titane ultrapur possède une structure hexagonale pseudocompacte dite phase α jusqu’à 882 oC. Au-dessus de cette température appelée transus β, la structure cristallographique devient
cubique centrée et est nommée phase β. Au-delà de 1 660 oC, la
phase β se transforme en une phase liquide qui rentre en ébullition
à partir de 3 287 o C. La figure 1 présente l’effet des éléments
d’addition :
— certains augmentent le domaine de stabilité de la phase α : ils
sont alors appelés alphagènes ;
— d’autres accroissent celui de la phase β, allant même jusqu’à
stabiliser cette dernière complètement à la température ambiante :
ce sont les éléments bêtagènes ;
— les derniers enfin sont indifférents de ce point de vue : on les
appelle les éléments neutres.
De façon classique, les éléments de faible rayon atomique se
placent en insertion dans le réseau cristallographique (O, N, B, C
et H) ; les autres se substituent aux atomes de titane (Al, Mo, V, Nb,
Ta, Mn, Fe, Cr, Co, Zn, Sn, ...).
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Une façon de rationaliser ce classement est d’utiliser une représentation graphique avec en ordonnée, la teneur en éléments alphagènes, exprimée en équivalent aluminium : (Aléq), et en abscisse,
la teneur en élément bêtagènes, exprimée en équivalent molybdène
(Moéq). La définition de ces deux paramètres est :
Aléq = Al + Sn/3 + Zr/6 + 10 O2
Moéq = Mo + V/1,5 + Cr/0,6 + Fe/0,35
Le tableau 1 présente quelques alliages. On peut retrouver
certains d’entre eux dans la figure 2 présentant un diagramme
Aléq-Moéq . Sur ce schéma, on a aussi reporté les frontières entre
diverses classes d’alliages :
alliages α et quasi α :
Moéq < 1 + 0,125 × Aléq
alliages α + β :
Moéq > 1 + 0,125 × Aléq
alliages β riches :
Moéq > 6 + 0,5 × Aléq
alliages β métastables :
Moéq > 10 + Aléq
alliages β :
Moéq > 27 + Aléq
(0)
Tableau 1 – Compositions massiques d’alliages de titane
Nom commercial
Figure 1 – Classification des éléments d’addition
des alliages de titane
On peut dire que les effets des éléments d’alliage sur la stabilité
respective des phases α et β sont, en première approximation, additifs. Les alliages obtenus sont affiliés aux classes suivantes selon
la nature des phases présentes à la température ambiante à l’état
d’utilisation :
• : constitués de 100 % de phase α ;
• + : possédant des proportions éminemment variables de
phase α et β ;
• contenant, quant à eux, 100 % de phase β.
On se rend compte que la classe des alliages α + β est extrêmement vaste. On a donc créé des sous-classes qui sont les suivantes :
• quasi : alliages possédant de la phase β à une teneur de
quelques pour-cent (< 5 %) ;
• + : alliages dont la teneur en phase β est comprise entre 5
et 20 % ;
• riches : alliages susceptibles de retenir une phase métastable
à la température ambiante par refroidissement très rapide (α’ ou βm
[20] qui se transformera, par traitement thermique, en phases α et
β avec des teneurs de phase β à l’équilibre voisines de 20 à 25 % ;
— métastables (βm) : alliages susceptibles de retenir de la
phase β métastable à l’ambiante par refroidissement moyennement rapide, cette dernière se transformant en phases α et β stable
avec 25 à 35 % de phase β.
Al
V
Mo Nb
Fe
Cr
Sn
Zr
Autres
TNA (1)
–
–
–
–
–
–
–
–
–
IMI 685
6
–
0,5
–
–
–
–
5
0,2 Si
TA3V
3
2,5
–
–
–
–
–
–
–
TD5AC
4,5
–
5
–
–
1,5
–
–
–
IMI 550
4
–
4
–
–
–
2
–
0,5 Si
TA6V
6
–
4
–
–
–
–
–
–
6242
6
–
2
–
–
–
2
4
–
6246
6
–
6
–
–
–
2
4
–
10-2-3
3
10
–
–
2
–
–
–
–
SP700
4,5
3
2
–
2
–
–
–
–
Ti17
5
–
4
–
–
4
2
2
–
β-CEZ
5
–
4
–
1
2
2
4
–
LCB
1,5
–
6,8
–
4,5
–
–
–
–
Ti-15-3
3
15
–
–
–
3
3
–
–
β21S
3
–
15
2,7
–
–
–
–
0,2 Si
38644
3
8
4
–
–
6
–
4
–
(1) TNA titane non allié
2. Métallurgie extractive
et matières premières
2.1 Obtention de l’oxyde
Les minerais de titane sont relativement nombreux, mais l’exploitation industrielle porte principalement sur deux d’entre eux : le rutile
et l’ilménite. Le rutile est la forme naturelle du bioxyde de titane (97
à 98,5 % de TiO2) auquel s’ajoutent diverses impuretés métalliques
comme le fer ou le manganèse ; il se trouve principalement aux
États-Unis, en Australie, et en Norvège. L’ilménite est un mélange
de titanate et d’oxydes de fer ; il est donc impur (teneur maximale
en Ti de 30 %), mais beaucoup plus répandu que le rutile ; les principaux gisements se trouvent en CEI, au Canada, en Inde, en Afrique,
et en Amérique du Sud. Le tableau 2 présente les réserves mondiales
estimées.
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M 2 355 − 3
MÉTALLURGIE ET RECYCLAGE DU TITANE ET DE SES ALLIAGES
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Nillson et Peterson en 1887, ou par l’emploi du magnésium, comme
réducteur à la place du sodium, par Seubert et Schmidt en 1882.
Toutes les fabrications ont donné du métal fragile et impropre à des
applications industrielles. Ce n’est qu’en 1910, que l’anglais Hunter
pour le procédé au sodium, et en 1937, que l’allemand Kroll pour
celui au magnésium, ont pu obtenir du métal ductile par réduction
et ce, de manière économiquement acceptable.
Pour ces deux procédés conventionnels, la première étape
consiste donc à réaliser une carbochloration. Dans tous les cas, le
produit est obtenu par action du chlore gazeux sur l’oxyde vers
800 oC, en présence de carbone, le tout sur lit fluidisé et suivant la
réaction :
TiO + 2CI + 2C → 2CO3+ TiCI 3
2
2
4
Le tétrachlorure de titane, dont la température d’ébullition est
136 oC, est récupéré par condensation, décanté, filtré et purifié par
distillation fractionnée.
Le procédé de réduction qui s’ensuit alors consiste à faire réagir
ce tétrachlorure en phase gazeuse sur du magnésium ou sur du
sodium liquide selon les réactions :
Figure 2 – Diagramme Aleq– Moeq (% en masse)
et notion de classes d’alliage
(0)
Tableau 2 – Réserves mondiales en rutile et ilménite
(en milliers de tonnes)
Pays
Rutile
États-Unis................
1 700
Ilménite
42 000
Australie ..................
10 000
38 000
Canada ....................
–
73 000
Inde..........................
9 000
35 000
Norvège...................
–
9 000
Afrique du Sud .......
6 000
42 000
Chine .......................
2 700
80 000
CEI............................
–
14 000
Brésil........................
90 000
–
Italie .........................
21 000
–
Sierra Leone............
3 600
–
Total ........................
140 000
420 000
Dans la métallurgie extractive du titane proprement dite, l’objectif
est d’abord d’obtenir TiO 2 . Les industriels préfèrent donc, de
beaucoup, élaborer le métal à partir du rutile que de l’ilménite à cause
de sa teneur plus élevée en oxyde de titane. Après séparation et
concentration par flottation et triage magnétique [21] [22] [23], une
charge de rutile contenant de 90 à 99 % de TiO2 , ou une charge
d’ilménite contenant 40 à 60 % de TiO2 sont obtenues. Dans ce
dernier cas, l’oxyde de fer, contenu dans l’ilménite, est éliminé :
— soit par un procédé de séparation par l’acide sulfurique ;
— soit par réduction au four à arc permettant de récupérer le fer
sous forme de fonte, et l’oxyde de titane sous forme de laitier.
TiCI4 (gaz) + 2Mg (liquide) → 2MgCI2 (liquide) + Ti (solide)
TiCI4 (gaz) + 4Na (liquide) → 4NaCI (liquide) + Ti (solide)
La première réaction est appelée réaction Kroll du nom de son
concepteur qui a aussi donné son nom au réacteur dans lequel elle
a lieu (figure 3a). Elle est conduite à 800 oC sous vide ou sous gaz
inerte (argon). Le chlorure de magnésium et séparé par décantation,
puis, dans une seconde étape, par distillation sous vide vers
900-950 oC, ou par lavage à l’acide. Le titane obtenu est un solide
poreux faisant penser à une éponge, d’où son nom d’éponge de
titane.
Depuis le début de sa mise en exploitation, le procédé de fabrication de l’éponge n’a pas subi d’évolutions extraordinaires dans
son principe physico-chimique de base, hormis une amélioration
des rendements des réactions :
— par l’emploi de lit fluidisé pour la carbochloration (facteur
d’amélioration 12) ;
— par l’emploi de cellules multipolaires pour l’électrolyse (facteur
d’amélioration 10) ;
— par l’échange des réactifs Mg et MgCI2 à l’état liquide.
La figure 3b illustre la façon dont la productivité a pu être
multipliée par 2. L’idée trouve son origine en Russie mais a été
améliorée par les japonais. Il s’agit du procédé de type U inversé.
Le réacteur est en fait constitué par deux enceintes qui peuvent indifféremment réaliser les opérations de réduction ou de distillation sous
vide. Pendant qu’une enceinte, dans laquelle est introduit TiCI4 ,
effectue la réduction au magnésium, l’autre, reliée à une pompe à
vide, distille à chaud et sous faible pression (≈ 0,2 Pa) l’éponge
précédemment fabriquée ; ces deux enceintes travaillent simultanément. La figure 4 montre l’extraction d’une de ces enceintes après
la distillation sous vide afin d’en mesurer la taille.
Enfin, l’augmentation des lots d’éponges a permis un gain en
productivité et une baisse du prix du matériau de base. L’éponge
de titane est ensuite broyée en grains de dimensions variables
(entre 1 et 70 mm). Elle est caractérisée par sa dureté, d’autant plus
(0)
faible que la pureté de l’éponge est élevée (tableau 3).
2.2 Procédés de réduction classiques
Kroll ou Hunter
Ce n’est qu’à partir de 1825 que Berzelius a pu réduire K2 TiF6 par
le potassium. Mais ce procédé reste anecdotique, car ce qui a
déclenché l’amélioration des techniques d’extraction est l’utilisation
des chlorures par St Claire-Deville en 1855, et plus spécifiquement
du tétrachlorure de titane TiCI4 ; le titane métal est alors obtenu par
réduction des vapeurs de TiCI4 par du sodium. Dès lors, cette technique a été perfectionnée, pour la réduction par le sodium Na, par
M 2 355 − 4
Tableau 3 – Duretés d’éponges de titane
de différentes puretés
Dureté Brinell
après refusion
Analyse type (ppm masse)
CI
Fe
H
Mg
N
O
100
100
C
700
400
50
700
80
500
130
100
1 000
800
50
700
100
1 000
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Figure 4 – Extraction d’un réacteur Kroll
de l’ensemble de ses éléments chauffants (doc. Timet États-Unis)
Figure 5 – Origine de l’éponge utilisée en France dans la fabrication
des lingots en 1995 (doc. TIMET Savoie France)
(0)
Tableau 4 – Capacités de production d’éponge de titane
dans le monde en 1996
Figure 3 – Élaboration de l’éponge de titane
Récemment, le bureau fédéral américain de la réglementation
aérienne (FAA) a publié une étude montrant la meilleure qualité de
l’éponge obtenue par distillation (VDP Vacuum Distillation Process)
comparée à celle provenant d’un lavage à l’acide.
Les capacités de production mondiale d’éponge (tableau 4) se
situent aux alentours de 103 000 t (1996) bien que le volume
d’applications en 1996 ne dépasse pas 35 000 à 40 000 t. La surcapacité en éponge provient de l’ouverture aux marchés occidentaux des
produits de la CEI. L’éponge de la CEI est couramment employée
en France maintenant où elle représentait 54 % en 1995 (figure 5).
Le procédé Kroll représente le seul procédé actuellement
employé (aux États-Unis, en CEI ou au Japon) [1] [2] car le procédé
Hunter a totalement disparu avec la fermeture des derniers réacteurs aux États-Unis et en Angleterre.
Provenance
Capacité de production
(t)
Timet .................................................
16 000
Oremet ..............................................
6 800
Total États-Unis ................................
22 800
Osaka ................................................
15 000
Toho ..................................................
11 000
Total Japon.......................................
26 000
Zaporojie (Ukraine) ..........................
5 000
Berezniki (Russie).............................
22 000
Ust-Kamenogorsk (Kazakhstan)......
25 000
Total CEI............................................
52 000
Chine .................................................
2 000
Total Monde .....................................
102 800
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MÉTALLURGIE ET RECYCLAGE DU TITANE ET DE SES ALLIAGES
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2.3 Autres procédés
2.3.3 Électroraffinage
2.3.1 Réduction du fluorotitanate de calcium
Vers le milieu des années 80, on a commencé à s’intéresser à
l’électroraffinage du titane [6]. Pas moins de cinq générations de
cellules ont été nécessaires pour atteindre une pureté dde 99,999 %
(5N). De nos jours, ce procédé connaît toujours des améliorations
car le produit visé est le titane pour applications électroniques.
Seul un resserrement drastique des paramètres de fabrication, via
un contrôle statistique des procédés permet d’atteindre une teneur
totale en impuretés métalliques inférieure à 14 ppm masse.
On a étudié la réduction du fluorotitanate de calcium soit de
façon continue, soit lot par lot en utilisant des fours par induction
sous laitier [3]. Pour ce type d’extraction, la température doit être
au-dessus de 1 423 oC (température de fusion du CaF2). La séparation de ce sous-produit avec le titane a été réalisée avec une
bonne qualité de lingot. Néanmoins, la combinaison de la réduction et de la séparation du laitier semble infructueuse en raison de
la volatilisation du calcium, métal réducteur.
2.3.2 Électrolyse en sels fondus
L’électrolyse en sels fondus de TiCI4 semble attractive, compte tenu
de la nature continue du procédé, des coûts en énergie réduits et
de la faible teneur en éléments résiduels dans le produit final [4].
Néanmoins, la solubilité limitée de TiCI4 dans les bains alcalins ou
dans les bains alcalino-terrreux chlorés, la complexité de l’électrochimie des sels fondus de titane, associées à l’extrême réactivité du
titane et de ses chlorures ont laissé cette technique à l’échelle du
laboratoire et tout passage à une production industrielle se révèle
actuellement quasi impossible, malgré de récents progrès [5]
comme l’emploi de cellules multipolaires (figure 6).
En effet, le rendement de la réaction d’électrolyse dépend de la
capacité que l’on a de contrôler la production d’ions de titane de
faible valence (Ti2+ ou Ti3+). Cette concentration d’ions est déterminée soit par le caractère acido-basique de l’électrolyte, soit en
inhibant toute réaction entre ces ions et le titane métal. Dans la
figure 6, l’écran porté au potentiel E2 permet de concentrer les
ions de faible valence près de la cathode portée au potentiel E1 ;
on maintient alors dans cette zone un niveau élevé d’ions Ti2+ et
Ti3+ en injectant TiCI4 dans un conteneur circulaire rempli de chutes de titane. Bien que le métal commence à se déposer sur la
cathode, la concentration en Ti2+ et Ti3+ reste quasi constante,
assurant un rendement plus élevé.
Figure 6 – Électrolyse du titane : dispositif à écran bipolaire perforé
(doc. Ukrainian Titanium Research & Design Institute Ukraine)
M 2 355 − 6
2.3.4 Procédé Van Arkel
Une autre façon de fabriquer du titane ultrapur de type 5N est la
décomposition thermique de l’iodure de titane Til4 connue sous le
nom de procédé Van Arkel (Van Arkel et de Boer 1925). Très étudiée
au Japon [7], cette technique a permis des dépôts de titane sur un
tube de titane de pureté commerciale comme substrat, ce qui a
conduit à des lots d’une masse voisine de 50-100 kg en 300 h.
La figure 7 montre la coupe d’un tel produit. À l’intérieur, on trouve
un tube en titane non allié (TNA dans le tableau 1) qui a servi de
support pour le dépôt, ce dernier apparaissant avec un aspect
granuleux car il est, en fait, constitué de monocristaux de titane
élaborés par superposition, couche atomique par couche atomique
[plan de base de la structure hexagonale α (§ 1)] lors de la décomposition de l’iodure.
2.3.5 Procédé DITINGOT
Des travaux universitaires belges soutenus par l’industrie [8] ont
montré la faisabilité thermodynamique et cinétique de la réduction
en phase gazeuse de TiCI4 par le sodium sous pression atmosphérique. La température de la réaction est comprise entre 1 927 et
2 127 oC, de telle manière que le titane liquide se sépare automatiquement de NaCI gazeux pour former un lingot. De façon évidente :
— c’est un procédé continu ;
— il supprime les étapes de l’éponge et de première fusion (§ 3.1) ;
— il est totalement automatisable ;
— mais il ne concerne que la fabrication de titane de pureté
commerciale (comme l’alliage TNA dans le tableau 2).
Figure 7 – Décomposition thermique de TiI4 sur un tube de titane
de pureté commerciale (doc. Osaka Titanium Ltd. Japon)
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Le dispositif expérimental appelé DITINGOT a permis la production de titane en lingot à la cadence de 25 kg/h pendant 2 jours.
Pour passer au stade industriel, on doit encore s’assurer :
— du contrôle de température par un système de préchauffage
optimisé ;
— de l’augmentation du diamètre des particules de titane ;
— et de la réalisation d’un dispositif de coulée continue.
2.4 Recyclage
Dans la course au prix de revient, l’utilisation de matières recyclées
(chutes massives ou copeaux d’usinage) paraît prometteuse compte
tenu que ces dernières ont un coût plus bas que celui de l’éponge
(30 à 60 %) et que les copeaux, par exemple, peuvent rentrer jusqu’à
des valeurs de 35 à 45 % dans la composition de la charge (§ 3.1).
Le recyclage est tout d’abord une question de conditionnement et
de tri des matières, puis de techniques de réintroduction de ces
produits dans la chaîne de fabrication.
2.4.1 Chutes massives
Les chutes massives sont des bouts de barres ou des ogives de
tôles. Du fait de la traçabilité des lots (caractéristique de l’industrie
du titane tournée vers des applications aéronautiques qui identifie
les demi-produits jusqu’à leur plus petite partie utilisée et qui permet,
les dossiers correspondants étant conservés au moins 20 ans, de
remonter à leur historique de fabrication), on connaît exactement
la composition chimique des chutes et elles peuvent être recyclées
telles quelles.
Ensuite, soit on fabrique des électrodes « totem » par soudage
MIG [24] des chutes entre elles, soit les chutes sont utilisées unitairement. Pour ces dernières, suivant les exigences de qualité du produit
à fabriquer, on peut intercaler, dans le cycle de conditionnement, du
grenaillage et du décapage. Les électrodes sont ensuite fondues par
les techniques classiques VAR (§ 3.1.2). Quand aux matières divisées,
elles sont refondues par les procédés EBCHR ou PACHR (§ 3.1.4) ou
le procédé ENC (§ 3.1.3).
2.4.2 Copeaux
Les copeaux proviennent principalement des opérations de parachèvement des produits (barres ou tôles fortes) qui visent à
supprimer la couche enrichie en oxygène [20].
Tout d’abord, le risque majeur est la présence des bris d’outils de
type carbure de tungstène, quasi indissolubles dans un bain de titane
liquide, ce qui fait qu’on les retrouvera sous forme d’inclusions dans
le lingot final. Avant utilisation, il convient donc de trier les copeaux
en se basant sur trois propriétés qui différencient, à taille donnée,
le copeau du bris d’outil :
— le copeau de titane est moins dense ;
— le copeau est amagnétique ;
— le copeau absorbe moins les rayons X.
Ces trois propriétés sont mises en œuvre dans les lignes de tri
automatique où, après un calibrage de la taille des particules, la
discrimination copeau/carbure sur ces trois critères peut être faite.
Seules deux chaînes de ce type sont actuellement disponibles et
qualifiées pour les applications les plus pointues : une aux États-Unis
chez Suissman, l’autre en France chez Timet Savoie.
La figure 8 montre le dernier poste d’une telle chaîne : celui des
rayons X ; des lots, dont les particules sont dissociées au préalable
par un système de tapis vibrant, passent devant une source de
rayons X ; l’image du faisceau transmis est analysé en temps réel
par un analyseur d’images qui acquiert un spectre en niveau de
gris ; un seuil fondé sur un critère d’intensité est alors utilisé pour
rebuter les lots possédant au moins une particule présentant une
forte absorption (elle apparaît en sombre par rapport aux autres
particules) et donc un risque de contamination par du carbure de
tungstène.
Figure 8 – Poste d’analyse du spectre d’absorption des rayons X
sur une chaîne de tri automatique des copeaux de titane
(doc. Timet Savoie France)
Ensuite, on peut traiter les copeaux, une fois triés, afin d’en retirer
l’oxygène. Outre la classique suite d’opérations lavage-dégraissagedécapage-séchage, on peut ainsi évoquer le procédé DOSS (DeOxidation in the Solid State : désoxydation à l’état solide) [9]. Il est basé
sur une désoxydation de lots de 1 200 kg, en présence d’une quantité
égale d’un mélange 75 % Na-25 % Ca à 950 oC et pendant 7 à 9 h.
On peut ainsi retirer des copeaux 70 % de la teneur initiale en
oxygène. Des productions mensuelles de 9 500 kg/mois ont été
annoncées par exemple chez l’américain RMI ; néanmoins, il faut
encore progresser dans le domaine de la pollution par le carbone
due aux traces de graisses et d’huiles.
On peut ensuite recycler les copeaux de trois manières :
— lit de copeaux sur fond de creuset pour démarrer les fusions
VAR (§ 3.1.2), afin que l’arc ne touche pas le fond du creuset et le
perce ;
— réintroduction des copeaux avec de l’éponge et des éléments
d’addition dans la charge des compacts pour les électrodes de
première fusion ;
— apport sous forme de matière divisée pour les procédés de
creuset froid (§ 3.2.3).
De nos jours, on peut dire que plus de 99 % des copeaux sont
recyclés selon les deux premières voies, la dernière restant d’emploi
très limité.
3. Élaboration
3.1 Techniques conventionnelles
3.1.1 Préparation de l’électrode
Le cycle de préparation des matières destinées à être refondues
sous forme d’électrode est illustré figure 9. À partir des matières
premières constituées d’éponge, d’éléments d’alliage et de petites
chutes recyclées (typiquement des copeaux : § 2.4.2), est réalisé tout
d’abord, par pesée, un lot destiné à obtenir la composition chimique
désirée. Ce lot est ensuite homogénéisé dans un mélangeur soit sous
gaz neutre, soit sous aspiration violente, de manière à prévenir toute
inflammation des fines de titane (particules d’une centaine de micromètres) pouvant conduire à la formation d’oxynitrure de titane
fragilisant et insoluble dans le bain liquide. Le lot homogène est
ensuite introduit dans la matrice d’une presse où il est comprimé
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MÉTALLURGIE ET RECYCLAGE DU TITANE ET DE SES ALLIAGES
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à froid sous forme d’un compact dense à plus de 95 %. Ce taux élevé
de densité relative autorise alors toute manutention en vue de
constituer une électrode par empilement de ces compacts, étage par
étage. Ces étages sont ensuite solidarisés entre eux par soudage
plasma ou faisceau d’électrons ; l’usage de plasma impose l’utilisation de gaz neutre à teneur en oxygène contrôlée et la technique
faisceau d’électrons celle du vide. Chacune des techniques a ses
avantages et ses inconvénients sans qu’il soit possible d’en privilégier une par rapport à l’autre :
— une installation de soudage plasma a un coût initial plus faible,
son emploi est aisé, mais on est obligé d’analyser, en continu et en
permanence, les gaz de l’enceinte pour prévenir toute formation
d’oxynitrure ;
— par contre, le soudage par faisceau d’électrons nécessite des
installations plus coûteuses (notamment en terme de groupes de
pompage) et une formation adaptée des opérateurs, mais le vide
très poussé empêche la formation des défauts et la finesse du
faisceau permet des soudures plus précises.
On fabrique ainsi une ou plusieurs électrodes primaires.
3.1.2 Refusion à l’arc sous vide
Depuis le début de l’industrie du titane, la fusion des électrodes
a été réalisée par refusion à l’arc sous vide (VAR comme Vacuum
Arc Remelting [11] [12]). Cela revient à créer un arc électrique entre
le bas de l’électrode et, au début, le fond d’un creuset en cuivre
refroidi à l’eau (et éventuellement recouvert d’un lit de copeaux,
§ 2.4.2), puis ensuite le sommet du puits liquide. Le bas de l’électrode s’échauffe et sa température passe au-delà du liquidus ; les
gouttelettes de métal tombent alors dans un puits liquide contenu
dans une gaine de métal solidifié (figure 10) que l’on appelle la
peau du lingot. On peut refondre ainsi le même lingot plusieurs
fois ; en général, les lingots sont refondus au moins deux fois, ceux
de qualité PQ (Premium Quality ) l’étant trois fois. À chaque refusion, on augmente le diamètre des lingots ; ces derniers pèsent
couramment entre 1 et 10 t et leur diamètre est compris entre 500
et 1 000 mm.
La fusion s’effectue sous quelques volts (30 à 40 V) et sous forte
intensité (20 000 à 40 000 A) à l’aide d’un courant continu et
redressé ; de façon pratique, on utilise des puissances de fusion
comprises entre 700 et 1 800 kW. On ajuste cette puissance à la
nature de l’alliage à fondre (les alliages très chargés, typiquement
des alliages β riches et β stables, nécessitent des puissances faibles).
Les consommations pour une tonne de produit fondu varient de 730
à 1 250 kWh/t. Sur cette énergie prélevée au réseau :
• 3,5 % correspondent au rayonnement de l’arc sur l’enceinte du
four ;
• 28,5 % sont relatifs au rayonnement de l’arc sur la lingotière ;
• 26 % servent à chauffer le lingot ;
• 42 % sont utilisés pour fondre l’électrode.
La technique VAR a une petite centaine d’années d’existence
industrielle ; appliquée d’abord aux aciers spéciaux puis aux alliages
base nickel pour leur raffinage par le vide, elle s’est étendue aux
alliages réactifs tels que le titane et le zirconium dans les années
50. On a amélioré la performance de cette technique par l’utilisation
de capteurs de plus en plus sophistiqués et par la conduite en pilotage automatique, asservie par ordinateur. De cette façon, un même
programme peut piloter simultanément jusqu’à cinq four VAR
comme chez Timet aux États-Unis. La plupart des récents progrès
l’ont été dans le domaine de la compréhension de la thermique du
procédé, à l’aide de la modélisation par éléments, différences ou
volumes finis, en résolvant pas à pas l’équation de la chaleur en
régime transitoire [10]. Ainsi, on peut visualiser l’impact d’un paramètre de fusion pour prédire, par exemple, l’apparition des
microségrégations [tels que les β flecks (taches de phase β)] ou celle
des mésoségrégations (canaux ségrégés par exemple [11]) et avoir
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Figure 9 – Cycle de préparation des matières
destinées à être refondues
Figure 10 – Schéma de principe du procédé VAR
(Vacuum Arc Remelting )
une idée de la macroségrégation [figure 11 sur laquelle on visualise,
à l’échelle du lingot, la répartition du molybdène dans un alliage
comme le β-CEZ (tableau 1) après une fusion finale en diamètre
660 mm]. La correction à apporter à la conduite de fusion est alors
possible.
Pour concentrer l’arc au bas de l’électrode et éviter tout amorçage
dans l’entrefer, on utilise, en général, un champ magnétique parallèle
à l’axe et induit par un bobinage coaxial au creuset. L’interaction des
lignes de courant qui passent radialement au sommet du puits
liquide avec le champ magnétique extérieur crée une force
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orthoradiale. Cette force entraîne le sommet de la zone liquide en
rotation et le mouvement se transmet au bas du puits par entraînement visqueux. On brasse ainsi le liquide, ce qui contribue à sa
qualité. Le brassage conventionnel précédemment évoqué strictionne l’arc au centre du puits liquide, mais des techniques plus
récentes comme l’Arc Sweeping (balayage de l’arc) défocalisent l’arc
au voisinage de l’entrefer et occasionnent des mouvements dans le
plan radial, forçant le liquide à s’écraser contre la paroi du
creuset [12]. Cette technique conduit à des qualités de peau de lingot
tout à fait remarquables et à une mise au mille excellente (gain de
50 points) et ce, avec des puissances de fusion limitées.
3.1.3 Refusion à électrode non consommable
En parallèle avec la technique VAR, s’est développé le procédé de
refusion à électrode non consommable (ENC par opposition au
procédé VAR dont l’électrode est consommable). Il s’agit d’une technique qui permet d’éviter la préparation de l’électrode de première
fusion et d’utiliser des chutes massives en quantités relativement
importantes (§ 2.4.1). La figure 12 illustre le procédé dans son
principe. Les chutes sont amenées par un convoyeur au-dessus d’un
fond en cuivre refroidi à l’eau ; une électrode, elle aussi en cuivre
refroidie à l’eau, crée un arc électrique au-dessus de ces chutes,
élevant progressivement leur température et les fondants. Cette électrode est susceptible d’avoir des mouvements de rotation, d’où son
nom de rototrode. Un puits liquide se crée progressivement et le
lingot solidifié est extrait au fur et à mesure de sa constitution.
3.1.4 Refusion sur sole froide
Plus récemment, à la fin des années 80, on a vu l’émergence
d’autres techniques telles que les procédés par refusion en sole
froide (CHR pour Cold Hearth Remelting ). La source d’énergie thermique peut être amenée par :
— un faisceau d’électrons (EB comme Electron Beam ) ;
— un arc plasma (PA comme Plasma Arc ).
On peut utiliser ces deux techniques pour recycler des chutes
massives (§ 2.4.1) ou pour fabriquer des alliages à partir d’éponge
et d’éléments d’addition. Dans ce dernier cas, on peut avoir recours
soit à une électrode préparée selon les principes décrits au paragraphe 3.1.1, soit aux matières divisées.
Ces techniques apparaissent extrêmement attractives pour la
fabrication de lingots exempts d’inclusions dangereuses car soit ces
dernières coulent au fond de la sole froide et elles sont piégées par
la partie solide appelée skull, soit elles flottent à la surface et elles
sont un point de focalisation du faisceau qui les détruit (figure 13a ).
Enfin, il faut noter la possibilité de constituer directement des
sections rectangulaires (ou tubulaires) qui sont des ébauches de
tôles (ou tubes) et évitent l’étape de conversion du lingot par
forgeage (§ 4). La figure 13b montre un lingot de section rectangulaire extrait d’un four EBCHR ; ce lingot de titane non allié est ensuite
directement laminé pour fabriquer des tôles.
Les inconvénients des procédés EBCHR et PACHR ont déjà été
largement débattus [13] [15] ; pour l’EBCHR, le contrôle des espèces volatiles (Al ou Cr) et pour le procédé PACHR l’absorption
d’hydrogène sont les points critiques. La figure 14 montre la corrélation entre l’atmosphère du four et la teneur finale du lingot en
hydrogène pour le procédé PACHR qui peut varier entre 20 et
50 ppm masse alors que par la technique VAR, la fourchette est
plutôt comprise entre 10 et 30 ppm. Là encore, la simulation numérique, par la connaissance de la thermique du procédé et de
l’hydrodynamique du bain liquide (et donc la connaissance du
mouvement des particules indésirables dans le liquide), permet
d’accéder plus rapidement aux paramètres optimaux de conduite
de fusion, et autorise la conception de soles froides plus performantes vis-à-vis de la suppression des défauts inclusionnaires.
Figure 11 – Carte de répartition du molybdène dans un lingot de 3 t
en diamètre 660 mm en alliage -CEZ, simulé par le logiciel SOLAR
(doc. École des mines de Nancy / CEZUS France)
Figure 12 – Schéma de principe du procédé ENC
(Electrode Non Consommable )
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3.2 Procédés à l’étude
3.2.3 Coulée en creuset froid
3.2.1 Refusion en skull
À la fin des années 80, on a développé des techniques de fusion
en creuset froid, surtout pour le moulage. Dans un creuset segmenté
en cuivre refroidi à l’eau, une quantité de métal est fondue par induction. L’inducteur introduit dans chaque segment du creuset une
boucle de courant, ce qui permet d’induire un champ magnétique
non nul au centre de la charge. Le métal liquide est alors repoussé
vers l’intérieur et ne touche pas le creuset (d’où le nom de technique
de « creuset froid »).
En Russie [15], la refusion dans un skull de lingots de titane
d’alliages β métastables et β stables (c’est-à-dire contenant une
teneur élevée en éléments d’addition réfractaires) a été étudiée. Il
s’agit donc de piéger des particules réfractaires lourdes (Mn par
exemple) dans la zone pâteuse du skull. La figure 15a montre le
dispositif permettant de réaliser ces opérations et la figure 15b
montre un lingot de 5 t de diamètre 550 mm produit par des refusions
successives [16]. Il faut noter que, si la qualité du lingot est bonne
du point de vue de l’absence des infondus, il faut compter pas moins
de 3 à 5 refusions pour atteindre un état stationnaire satisfaisant du
point de vue de l’homogénéité. Jusqu’à présent, des centaines de
tonnes de lingots ont ainsi été fabriquées, et le procédé est viable
économiquement selon les standards de la CEI, bien qu’il faille
employer une mise de départ de 5 t pour constituer le skull, certes
réutilisable, afin de produire des lingots de 5 t.
3.2.2 Refusion sous laitier
Depuis le début des années 60 aux États-Unis comme en CEI, les
recherches ont porté du côté des techniques utilisées pour les aciers
telles que la refusion sous laitier (ESR - Electro Slag Remelting ) et
ont démontré la faisabilité de cette technique [17]. Néanmoins, la
bonne qualité des lingots ainsi que celle de leur peau a été contrebalancée par les risques d’absorption d’oxygène et d’azote
provenant de l’atmosphère inerte, et la contamination par les oxydes
du laitier. Récemment, en Ukraine, on a développé la refusion à l’arc
sous laitier (ASR - Arc Slag Remelting ) plus économique du point
de vue de la quantité de laitier (2 à 3 fois moins que pour ESR) et
du point de vue de la consommation électrique (2 fois plus faible
que pour ESR) ; le point négatif est la productivité relativement faible,
et, jusqu’à présent, seuls de petits lingots d’une masse de 125 kg
et de section carrée de 300 mm ont été produits (figure 16) ; la
figure 17 illustre la différence entre les procédés VAR, ESR et ASR.
Figure 14 – Contrôle de la teneur en hydrogène
dans le procédé PACHR [13]
Figure 13 – Refusion sur sole froide
Figure 15 – Refusion en skull
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Figure 16 – Lingot ASR en titane non allié
(doc. Paton Electro Welding Institute Ukraine)
Figure 18 – Coulée 4C
4. Première transformation
Dans la figure 19, les principes de première transformation sont
illustrés de façon schématique. Pour briser la structure de solidification du lingot, on effectue plusieurs opérations de forgeage sous
une presse, par une succession de refoulements et d’étirages. Cela
se réalise toujours à chaud, d’abord dans le domaine monophasé β,
où l’on tire avantage :
— d’un matériau monophasé cubique, donc très ductile par rapport à la structure hexagonale, ce qui permet de minimiser la fragilité
de la structure de solidification ;
— d’une contrainte d’écoulement faible, qui autorise le corroyage
de produits de section importante.
La finition s’opère classiquement toujours en dessous du transus
β, des alliages α jusqu’aux alliages β riches. Ainsi, la microstructure
de grain α peut être contrôlée en ajustant la quantité et l’efficacité
de ce corroyage (au moins égal à 3).
Figure 17 – Comparaison des procédés VAR, ESR et ASR
du point de vue du principe et de la consommation
à la tonne de métal fondu
En utilisant un creuset sans fond [18], on peut extraire progressivement un lingot, pour autant que des matières divisées soient
apportées au niveau du dôme liquide (figure 18), typiquement des
copeaux (§ 2.4.2). Cette technique est alors appelée coulée 4C(Cold
Crucible Continuous Casting – coulée continue en creuset froid) et
permet d’obtenir des lingots de 120 à 210 kg, d’un diamètre
compris entre 150 et 200 mm, et avec une structure de fusion très
fine (figure 18b ) ; les lingots ainsi obtenus peuvent être directement laminés en barres puis en fils [18].
Comme pour les opérations de fusion VAR, on ne peut pas dire
que des améliorations spectaculaires aient été apportées au cours
de ces dernières années, si ce n’est une automatisation importante
des presses qui assure diminution des coûts de revient et meilleure
reproductibilité des gammes. Il est important de noter le développement de la simulation numérique comme aide à la conception des
séquences de transformation. Des logiciels d’analyse thermique
simple (différences finies alternées) qui résolvent l’équation de la
chaleur d’une section droite moyenne du produit et qui tiennent
compte d’une puissance mécanique dissipée par la déformation
plastique, peuvent être couplés à des logiciels plus complexes, utilisant une formulation aux éléments finis comme FORGE2  ou
FORGE3 (société Transvalor) qui, en chaque nœud d’un maillage
représentant le volume à déformer, déterminent la température, et
l’état de déformation et de contrainte. La figure 20 illustre cette interdépendance entre la simulation numérique de l’étirage d’une barre
en alliage TA6V (figure 20a) et sa réalisation sur presse industrielle
(figure 20b).
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Figure 19 – Cycles de dégrossissage du lingot
et de première transformation des demi-produits
Figure 21 – Contrôle des paramètres de laminage
Cela peut être bien sûr étendu aux procédés de deuxième transformation qui permettent d’obtenir des produits longs [19] par laminage en cannelures, ou des produits plats, par relaminage, ou des
produits tubulaires par filage ou laminage type pas de pélerin. Par
exemple, la figure 21 illustre les évolutions de température
(figure 21a ) et l’effort exercé par le produit sur le cylindre
(figure 21b ) au cours du laminage de tôles épaisses en alliage TA6V.
5. Applications
Figure 20 – Étirage d’une barre
M 2 355 − 12
Les applications aéronautiques concernent principalement des
pièces issues de produits longs comme les barres (disques de
turbine, longerons...), alors que les applications dans la chimie
constituent exclusivement le domaine des produits plats comme les
tôles (cuves, plaques d’échangeurs...).
Pour assister à une baisse sensible du prix moyen des demiproduits, il faudrait que le titane trouve d’autres débouchés sur les
secteurs aéronautiques ou chimiques.
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C’est déjà le cas au Japon, par exemple, où on le trouve dans la
vie de tous les jours : sports et loisirs, bijouterie, lunetterie, secteur
automobile... et la tendance s’amorce aux États-Unis. En Europe, et
en France en particulier, on en est encore assez loin. Par exemple,
un secteur de production de masse comme l’automobile pourrait
constituer un débouché intéressant et augmenter sensiblement la
demande française (1 kg de titane sur chaque véhicule français neuf
équivaut à tripler la production française annuelle) ; en effet, les
normes deviennent de plus en plus drastiques pour le contrôle de
la pollution sonore et celle occasionnée par les gaz d’échappement ;
une solution est la réduction des masses en mouvement, et, avec
ses propriétés spécifiques attractives, le titane et ses alliages peuvent
apporter une réponse. Néanmoins, comme le montre le tableau 5,
même si le remplacement pièce à pièce remplit l’objectif de réduction
de masse, à performance égale ou supérieure, le coût de la solution
titane est encore au-dessus de celui de l’acier, ce qui rend l’industrie
automobile très attentiste.
(0)
Tableau 5 – Comparaison titane-acier pour des pièces
de l’industrie automobile (doc. Renault Ind.)
Pièces
Matériau
Masse
(réf. acier)
acier
1,00
1,00
Barres
de torsion
titane
0,80
10,00 à 15,00
tube acier
0,65
2,00
1,00
Bielles
Soupapes
Prix
(réf. acier)
acier
1,00
titane
0,70
2,86
acier
1,00
1,00
titane
0,30
1,67
6. Conclusion
La métallurgie extractive du titane est extrêmement délicate et
coûteuse ce qui implique des prix de matière première élevés ; le
procédé le plus employé est le procédé Kroll, et même si d’autres
techniques semblent prometteuses, leur viabilité industrielle n’est
pas encore démontrée. De même, les méthodes d’élaboration sont
assez sophistiqués, et le procédé VAR reste encore le plus utilisé ;
il faut noter que l’émergence de techniques telles que la refusion
sur sole froide (CHR) permet d’espérer des matériaux contenant
encore moins d’inclusions et à un coût sans doute plus faible que
ceux du procédé VAR, compte tenu de la possibilité de coulée quasi
continue. La première transformation des lingots obtenus est
réalisée à l’aide des techniques classiques employées pour les aciers,
l’aluminium, les alliages base nickel...
Pour fabriquer des demi-produits, une importante expérience est
requise car le client n’est pas seulement intéressé par une certaine
forme de produit, mais souvent par sa qualité métallurgique (taille
et répartition des phases en présence), dont dépendent fortement
les propriétés finales des pièces. Cette exigence est fortement
présente dans l’aéronautique et l’aérospatial, domaines grâce
auxquels le titane et ses alliages ont pu connaître une certaine
viabilité industrielle, mais le demi-produit reste cher. Sans nul doute,
l’avenir réside dans l’ouverture à des marchés de grande diffusion
tels que le secteur de l’automobile par exemple. Dans ces conditions,
le prix des demi-produits ne pourrait que baisser, rendant le titane
encore plus compétitif et attractif.
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M 2 355 − 13
Métallurgie et recyclage du titane
et de ses alliages
P
O
U
R
E
N
par
Yves COMBRES
Docteur en sciences et génie des matériaux
Ingénieur de recherches à CEZUS
Données économiques
Environnement
En France, bien qu’il existe une petite capacité de production d’éponge de
titane à la société CEZUS, cette dernière n’est pas mise en œuvre à cause de
la surcapacité existante (tableau 4, [M 2 355]) et des prix qui restent très bas
(ordre de grandeur 40 à 50 F/kg). Seul CEZUS refond des lingots et les transforme en barres, brames et fils, Creusot Loire Industries réalisant des plaques
et des tôles. Cinq entreprises réalisent des pièces finies par forgeage (SNECMA,
FORTECH Issoire et Pamiers, Aubert & Duval et Forges de Bologne) principalement pour le marché aéronautique, et ce, en utilisant les techniques de pointe
les plus perfectionnées.
En parallèle à cette consolidation, le prix moyen des demi-produits a chuté
de 30 % entre 1990 et 1995. Ceci dit, il reste relativement élevé et un ordre de
grandeur se situe autour de 150 F/kg (prix fortement dépendant de la forme et
la taille du produit et de la nuance concernée), et ce malgré l’augmentation des
volumes.
La figure A montre qu’en 1995, le marché du titane consistait environ pour
moitié (49 %) de produits pour l’aéronautique, et pour le reste (51 %), de
produits pour l’industrie (chimique principalement). Le marché français est
caractérisé par une compétition très soutenue comme le montre la figure B, qui
donne les parts de marché des divers pays pour les demi-produits. L’Europe
ne compte que pour un gros quart (28 %), et il faut noter l’émergence de la CEI
(16 %), quasi absente jusqu’en 1993.
P
L
U
S
Comme le rappelle la figure A, le marché est gouverné, selon les années,
entre 50 et 75 % par l’aéronautique. Ces rapports sont tout à fait du même
ordre de grandeur que ce qui se passe dans le reste de la CEE ou aux
États-Unis. La seule exception est le Japon, où les applications industrielles
concernent 80 à 90 %. La crise qu’a connu l’aéronautique au début des années
90, a entraîné une chute brutale des besoins (figure C), et ceux-ci, en France,
remonteront lentement. Cela n’a pas été sans conséquence sur la structure de
l’industrie, et tout d’abord par la suppression des surcapacités d’éponge :
entre 1990 et 1995, celles-ci sont passées de 30 000 à 22 800 t/an aux
États-Unis, de 4 000 à 0 t/an en CEE, et de 32 000 à 26 000 t/an au Japon.
Ensuite, on a assisté à une consolidation de la profession ; par exemple, Timet
(États-Unis) et IMI (Grande-Bretagne) ont fusionné, et Timet et CEZUS ont créé
une filiale commune : Timet Savoie. Cet adossement au groupe Timet dès
1993 explique que, malgré la stagnation du marché aéronautique, la production française de demi-produits a augmenté (figure C), principalement par
l’ouverture à de nouveaux marchés intérieurs non aéronautiques et des marchés exports.
Figure B – Parts de marché des demi-produits
en fonction de l’origine des fournitures en 1995 en France
(doc. TIMET Savoie)
Figure A – Parts de marché entre les produits longs (barres et fils)
et les produits plats (plaques et tôles) en 1995 en France
(doc. TIMET Savoie)
Figure C – Évolution en France, au cours des six dernières années,
des besoins pour l’aéronautique et production de lingots
(doc. TIMET Savoie)
6 - 1997
Doc. M 2 355
S
A
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I
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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques
Doc. M 2 355 − 1
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A
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MÉTALLURGIE ET RECYCLAGE DU TITANE ET DE SES ALLIAGES
Commercialisation
Type et formes des produits commercialisés
Délais de fourniture-quantités
Deux tiers du marché consistent en des barres forgées ou laminées, les
diamètres étant compris entre quelques millimètres (4 à 6) et 350 mm. Le reste
est sous forme de tôles de quelques centimètres (tôles fortes) à quelques millimètres (tôles fines pour la chimie ou les applications superplastiques) en
largeurs comprises entre 600 et 2 000 mm. À noter que la CEI propose aussi
des profilés.
Les délais habituels de 12 à 16 semaines à réception de la commande sont
en général demandés par les élaborateurs. De petites quantités en séries
peuvent être achetées sur magasin des fournisseurs. La taille des lingots
standard est comprise entre 5 et 10 t.
Réseaux de distribution-fournisseurs
Pour la France, on pourra déjà contacter les services commerciaux de TIMET
France.
Dans le cas où la nuance choisie ou la formule de produit n’est pas disponible, on pourra contacter le Titanium Information Group e/o INCO Engineered
Alloys.
Bibliographie
Références
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Froes et Caplan ed., TMS p. 2393 à 2400 (1993).
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Lacombe et al. ed., CNRS, p. 901 à 906 (1989).
ROSENBERG (H.W.) et GREEN (J.E.). – Proc.
Ti’92, Froes et Caplan ed., TMS, p. 2371 à 2376
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YOSHIMURA et al. – Proc. Ti’92. Froes et Caplan
ed., TMS, p. 2459 à 2464 (1993).
WINAND (R.) et al. – Proc. Ti’92, Froes et Caplan
ed., TMS, p. 2385 à 2392 (1993).
FISCHER (R.L.) et SEAGLE (S.R.). – Proc. Ti’92,
Froes et Caplan ed., TMS, p. 2265 à 2272 (1993).
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Costa ed., CNRS, p. 873 à 882 (1993).
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Caplan ed., TMS, p. 2451 à 2458 (1993).
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Symp. Kishi et al. ed, p. 1660 à 1673 (1993).
MUSATOV (M.I.). – Proc. Intal Workshop on βTi
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MUSATOV (M.I.) et al. – Proc. Ti’92. Froes et
Caplan ed., TMS, p. 2415 à 2422 (1993).
CHOUDHURY (A.) et al. – Proc. Ti’92. Froes et
Caplan ed., TMS, p. 2331 à 2337 (1993).
PAILLERE (P.) et al. – Proc. Ti’88, Lacombe et al.
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MORIZOT (G.). – Flottation. Machines et
circuits. Exploitation. A 5 360, traité Génie des
procédés (1991).
CAZES (R.). – Soudage à l’arc. B 7 730, traité
Génie mécanique (1995).
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ASM international (1988).
Proceedings 4th World conf. on Titanium, Kimura &
Izumi ed., AIME (4 vol.) (1980).
Proceedings 5th World conf. on Titanium, Lüetjering
al. ed., DGM (4 vol.) (1985).
Proceedings 6th World conf. on Titanium, Lacombe
et al. ed., CNRS (4 vol.) (1989).
Proceedings 7th World conf. on Titanium, à paraître.
Proceedings International Conference on Titanium
Products & Applications, TDA ed. (2 vol.) (1986).
Proceedings International Conference on Titanium
Products & Applications, TDA ed. (2 vol.) (1990).
β Titanium alloys in the 80’s, Boyer & Rosenberg ed.,
AIME, fasc. ETTC (1984).
Normalisation
France
Il existe deux normes :
— la première est la norme AIR éditée par le ministère de la Défense ; elle
se divise en la norme AIR 9182 « tôles de titane non alliées » et la norme AIR
9183 « barres, billettes, pièces forgées, coulées en alliage de titane » ;
— la seconde est éditée par l’Association Française de Normalisation
(AFNOR).
États-Unis
C’est dans ce pays que l’on trouve le plus de normes différentes. Il faudra
noter :
— MIL spécifications éditées par le DOD (Department of Defense) pour
définir les matériaux et produits utilisés pour des applications militaires. On y
trouve 11 sous classes ;
— AMS specifications (Aerospace Materials Specifications) établies par la
Society of Automotive Engineers ;
— ASTM specifications fixées par l’American Society for Testing Materials
dans son Annual Book of ASTM Standards volume 02.04 ;
— AIA Standards (Aerospace Industry Association) édite ses normes par le
biais du National Standard Association et sous la tutelle du National Aerospace
Standard Commitee (NAS) ;
— SAE Standards (Society of Automotive Engineers) fixe des normes
destinées aux concepteurs et aux bureaux d’étude, elles reprennent les termes
AMS en partie ;
Doc. M 2 355 − 2
— UNS numbering system : compilation des normes SAE et ASTM pour
les rationaliser ;
— ASME Cases : fixées par l’American Society of Mechanical Engineers ;
surtout tournées vers les machines tournantes, compresseurs, turbines
terrestres.
Normes européennes
Le document de base des normes anglaises est le Standard Catalogue édité
par le British Standards Institution.
Les normes allemandes publiées par le Deutsches Institut für Normung e.V.
(DIN) se polarisent surtout sur les demi-produits. Elles sont largement inspirées
des spécifications américaines.
De plus, dans un effort de rationalisation du fait du partage des tâches dans
les programmes européens, l’Association Européenne des Constructeurs de
Matériel Aérospatial (AECMA) travaille sur des documents communs.
Autres normes
En tant que consommateur de titane, le Japon, par l’entremise du Japanese
Industrial Standards Committee, fixe les spécifications (surtout titane non allié)
dans les documents JIS.
La CEI est un producteur très important. Les alliages sont souvent désignés
par une industrie et/ou organisation pour/par laquelle le matériau a été
développé :
— VT pour l’aviation
— OT pour la défense
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est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques
_________________________________________________________________________________ MÉTALLURGIE ET RECYCLAGE DU TITANE ET DE SES ALLIAGES
— 48 pour la marine
— IRM pour l’Institut des Métaux Rares
— AT pour l’Institut de Métallurgie.
Remarque : dans le jargon des utilisateurs français des alliages de titane, on
utilise souvent le nom commercial ou une abréviation imposée par la dénomination AFNOR. Citons par exemple :
TD5AC et aussi CoRoNa5 (Colt – Rokwell – Navy)
TA5E et aussi Ti-5 % Al-2,5 % Sn
TV15CA et aussi Ti15-3 (TIMET US)
TA6V et aussi Ti-64 (USA) ou VT6 (CEI)
TA5ZD et aussi β-CEZ (TIMET Savoie)
TA6ZD et aussi 685 (TIMET UK)
TA5DE et aussi 550 (TIMET UK)
P
O
U
R
E
N
Organismes
CEZUS
S
A
V
O
I
R
Titanium Development Association (TDA)
Cette association commercialise une disquette 3,5 pouces sur le titane et ses
alliages pour le prix 1992 de 5 $ des États-Unis.
TIMET Savoie
P
L
U
S
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques
Doc. M 2 355 − 3

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