Une nouvelle ère pour le titane (1)

Parmi les métaux, la solidité et la légèreté du titane, sa résistance à la corrosion et sa capacité à résister à des températures extrêmes distinguent depuis longtemps sa valeur, en particulier pour les applications sensibles au poids et à l'environnement. Lorsqu'il a été décrit pour la première fois à la fin du XVIIIe siècle, un co-découvreur a donné à ce métal le nom des Titans, dieux nés de la Terre et du ciel dans la mythologie grecque antique.

Le temps n’a fait que polir l’éclat du titane. "Je suis un scientifique des matériaux et les gens me demandent parfois : 'Quel est votre élément préféré ?'", explique Andrew Minor, professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Pour les bâtiments, les avions, les missiles, les vaisseaux spatiaux et bien plus encore, dit-il : « Si vous voulez le matériau le plus résistant pour le moins de poids, c'est le titane. Si nous le pouvions, nous fabriquerions tout en titane. »

En effet, pour les concepteurs industriels, la perspective de voitures, de camions et d’avions solides, légers et très économes en carburant, par exemple, ou de cargos extrêmement résistants à la corrosion, le titane doit faire rêver.

Le problème ? "C'est trop cher", dit Minor à propos du titane ou des alliages de titane de qualité industrielle qui pourraient autrement remplacer l'acier alors que seuls les matériaux les plus solides et les plus durables suffisent. Le coût de fabrication du titane est environ six fois supérieur à celui de l’acier inoxydable. En conséquence, ses utilisations sont restées limitées aux pièces spécialisées pour l’aérospatiale, aux articles haut de gamme comme les bijoux ou à d’autres applications de niche.

De plus, le titane pur n'a qu'une résistance modérée, explique Minor. Il peut être renforcé avec des éléments comme l’oxygène, l’aluminium, le molybdène, le vanadium et le zirconium ; cependant, cela se fait souvent au détriment de la ductilité, c'est-à-dire la capacité d'un métal à être étiré ou déformé sans se fracturer.

Aujourd'hui, après une décennie de recherche, une nouvelle ère pour le titane, comprenant des applications techniques considérablement élargies, pourrait approcher, grâce à Minor et à ses collègues de Berkeley, dont Mark Asta, Daryl Chrzan et JW Morris Jr., également professeurs au Département. de la science et de l'ingénierie des matériaux. Ils ont sondé et poussé le titane de diverses manières dans l'espoir d'étendre son utilisation pratique à diverses applications structurelles ou techniques.

Au lieu de cela, ce qui explique le coût excessif du titane de qualité commerciale, explique Minor, est le processus complexe Kroll le plus souvent utilisé pour fabriquer des barres, des lingots et d'autres formes de métal en titane qui peuvent être transformés en pièces utilisables et en d'autres produits. Le processus implique l’utilisation de matériaux coûteux comme l’argon gazeux, et il est gourmand en énergie, nécessitant plusieurs fusions à des températures extrêmement élevées, notamment pour contrôler les impuretés d’oxygène.

En effet, le titane et l’oxygène entretiennent une relation déroutante, que Minor, Asta, Chrzan, Morris et leurs collègues ont voulu mieux comprendre. L’équipe savait qu’une impureté d’oxygène est souvent utilisée dans les alliages de titane pour exploiter un puissant effet fortifiant. Le titane fabriqué avec une infime augmentation de la quantité d’oxygène atomique peut donner un métal dont la résistance est plusieurs fois supérieure.

Malheureusement, l'oxygène peut également entraîner une diminution encore plus importante de la ductilité du métal. Il devient cassant, se fracture et se brise.

Mais "l'oxygène est partout", dit Minor à propos de la difficulté de manœuvrer autour de la grande réactivité du titane à l'oxygène. "Il ne s'agit pas d'une impureté provenant du matériau source que vous pouvez simplement éviter."

Il qualifie d'extrême la sensibilité du titane à l'oxygène. "C'est vraiment étrange à quel point c'est puissant", dit Minor. Il exerce des effets sur le métal, à la fois bons et mauvais, alors que la présence de quantités similaires d'oxygène est insignifiante pour des métaux comme l'aluminium et l'acier, car elle peut être traitée beaucoup plus facilement lors du traitement.

Pour en savoir plus, l’équipe s’est tournée vers le calcul haute performance pour modéliser le processus de déformation du titane sous contrainte et avec différentes quantités d’oxygène. Selon Asta, les modèles informatiques constituent « un ensemble d'outils puissants qui nous permettent d'étudier ce défi exceptionnel dans la métallurgie du titane ».

Parmi les découvertes majeures de l'équipe, le remaniement des atomes d'oxygène dans la structure cristalline du titane lorsque le métal est soumis à des contraintes est devenu la clé pour comprendre la perte de ductilité. Dans un état non stressé, les molécules d’oxygène résident sans incident dans les espaces naturels entre les atomes de titane. Mais sous l’effet de forces mécaniques, les atomes d’oxygène peuvent se déplacer vers des espaces adjacents où ils offrent moins de résistance aux dislocations qui, si elles se propagent, affaiblissent le métal.

"L'oxygène favorise une faiblesse structurelle", explique Minor. À mesure que les forces mécaniques déforment le métal, les atomes d’oxygène déplacés, plutôt que de bloquer la propagation des défauts structurels, peuvent faciliter ce qu’on appelle un glissement planaire.

Selon Asta, un glissement planaire est comme une ondulation de défauts dans la structure cristalline du métal qui se superposent les uns aux autres, conduisant finalement à des fractures, des fissures et à un morceau de métal fragile.

Pour comprendre comment une luxation peut se former et se propager dans le titane, Chrzan suggère de visualiser une tentative de déplacement d'un tapis large et lourd.

"Un très grand tapis peut être ramassé à une extrémité et traîné sur le sol jusqu'à une nouvelle position", explique-t-il. Mais une autre façon de déplacer le tapis est de créer une ondulation à une extrémité, puis, en passant vos pieds sur le dessus du tapis, vous pouvez « marcher » l'ondulation jusqu'à l'autre extrémité. À condition que rien ne bloque son mouvement, le tapis tout entier aura été déplacé d'une distance égale à la largeur de l'ondulation.

De telles « ondulations » dans le titane peuvent être observées en microscopie électronique. "Vous pouvez voir que toutes les luxations sont alignées, en rangées", explique Minor. "Et c'est mauvais pour la ductilité, car s'ils s'alignent et se suivent seulement, ils ne s'emmêlent pas [et ne s'arrêtent donc pas] au point que le métal ne durcisse pas. Vous obtenez une concentration de contrainte, et c'est là que vous obtenez une fissure."

(À suivre)