État de développement des alliages de titane à haute résistance et à haute élasticité

État de développement des alliages de titane à haute résistance et à haute élasticité

La capacité de déformation élastique des matériaux métalliques est affectée par la limite d’élasticité et le module d’élasticité, et la limite élastique (ε0,2) de la ligne de traction est généralement inférieure à 1%. La résistance de l’alliage de titane traditionnel est de l’ordre de 400 ~ 1500 MPa selon la qualité de l’alliage, le module élastique est compris entre 50 ~ 120 GPa, ce qui est beaucoup plus bas que l’acier (environ 210 GPa), et la capacité de déformation élastique est environ deux fois celle de l’acier. L’alliage de titane a une excellente capacité de déformation élastique en raison de sa résistance élevée et de son faible module d’élasticité, et est largement utilisé dans le domaine aérospatial.

Dans les années 1950, les États-Unis ont utilisé pour la première fois des boulons en alliage de titane TI-6AL-4V sur le bombardier B-52, ouvrant l’application de fixations en alliage de titane dans le domaine aérospatial. Avec les exigences de légèreté continue de l’aérospatiale et de l’armement, l’application d’alliages de titane légers, à haute résistance et à haute élasticité dans les fixations a progressivement remplacé l’acier 30CrMosia traditionnel, améliorant la sécurité et la fiabilité de l’équipement. Actuellement couramment utilisés α + β et alliages de titane de type β, tels que Ti-6Al-4V, Ti-3Al-5Mo-4.5V, Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al et Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.3Si ( β 21S), etc., la résistance à la traction est essentiellement de niveau 1000 MPa.

Depuis les années 1970, McDonnell Douglas utilise le TI-13V-11CR-3AL pour fabriquer des ressorts d’avions civils, remplacer l’acier à ressort et réduire le poids de 70 %. Plus tard, Lockheed, Boeing et Airbus ont commencé à utiliser des matériaux en alliage de titane β pour fabriquer des composants à ressort, tels que les serrures de train d’atterrissage, le retour hydraulique et le contrôle de l’avion. Les alliages typiques sont Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn et Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (β-C), et leur module d’élasticité est d’environ 104 GPa. La résistance à la traction est de 1300 ~ 1450 MPa.

Les marques typiques utilisées en Chine sont TB2, TB3 et TB5. À l’heure actuelle, les alliages de titane de type α +β et β utilisés pour les ressorts et les fixations adoptent généralement α + β structure biphasé pour obtenir une résistance élevée. Dans le même temps, le module d’élasticité (90 ~ 120 GPa) est également plus élevé, ce qui entraîne des propriétés élastiques plus faibles. Par conséquent, il est difficile de répondre aux exigences des avions avancés pour les matériaux à haute résistance et à haute élasticité. En tant que matériau de rivet spécial, l’alliage Ti-45Nb de type β a été largement utilisé dans les produits aérospatiaux au pays et à l’étranger. L’alliage présente les avantages d’un faible module d’élasticité, d’une bonne plasticité et d’une bonne formabilité au travail à froid, mais la résistance, en particulier la limite d’élasticité, est faible et la résistance et les propriétés élastiques sont mal adaptées.

Depuis les années 1990, afin de réduire le module d’élasticité des alliages de titane médicaux, une série d’alliages de titane métastables à faible module élastique de type β ont été développés, tels que Ti-29NB-13Ta-4.6Zr et Ti-35NB-5Ta- 7Zr, etc., pour obtenir de meilleures propriétés élastiques. Cependant, cet alliage de titane a été développé pour le domaine médical. La résistance de l’alliage de titane est faible et il est difficile de répondre aux exigences de résistance élevée et d’élasticité élevée de l’alliage de titane pour les fixations et les ressorts d’aviation. En 2003, le Toyota Central Research Institute of Japan a développé un alliage de titane multifonctionnel (caoutchouc métal) avec d’excellentes propriétés complètes. La composition typique est ti-23nb -0,7 ta-2zr -1,2 2o (fraction atomique %). L’alliage est déformé par 90% de laminage à froid. La résistance du dos peut atteindre 1200 MPa, le module d’élasticité est de 55 GPa et la limite élastique peut atteindre environ 2,5%. Il montre une excellente correspondance de haute résistance et de haute élasticité. L’alliage a une élasticité constante dans une large plage de température.

L’alliage métastable de type β Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti-2448) développé par l’Institut des matériaux métalliques de l’Académie chinoise des sciences présente également d’excellentes propriétés élastiques, avec son module élastique aussi bas que 42 GPa et sa contrainte élastique aussi élevée que 3,3%. Après le traitement de vieillissement de la solution, il a également une excellente résistance élevée et une élasticité élevée correspondant. Le caoutchouc métal et le TI-2448 sont des représentants typiques des alliages de titane avancés à haute résistance et à haute élasticité. Cela montre que les alliages de titane peuvent atteindre une résistance élevée et une élasticité élevée. Son excellente performance dépend de la conception ingénieuse des composants et de la technologie de préparation appropriée.

Nicole