Titane
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Résistance au feu

Sa résistance au feu, notamment d’hydrocarbures, est très bonne. Il a été démontré qu’un tube de 2 mm d’épaisseur pouvait sans dommage ni risque de déformation ou d’explosion supporter une pression de dix atmosphères tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en étant soumis à un feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) d’hydrocarbures à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) de 600 °C. Cela est dû en premier lieu à la résistance de la couche d’oxyde qui évite la pénétration de l’hydrogène dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...). En outre, la faible conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par...) du titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) protège plus longtemps les éléments internes d’une élévation de température.

Le procédé Kroll et l'obtention du titane haute pureté

Le procédé Kroll

La première étape consiste à opérer une carbochloration sur le dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.). Le produit est obtenu par action du chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) gazeux sur l’oxyde vers 800 °C, le tout sur lit fluidisé selon la réaction :

TiO + 2 C + 2 Cl → TiCl + 2 CO

Le tétrachlorure de titane, dont la température d’ébullition est de 136 °C, est récupéré par condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement d'état en passant lors d'une...), décanté, filtré et purifié par distillation (La distillation est un procédé de séparation de substances, mélangées sous forme liquide. Elle consiste à porter le mélange à ébullition et à recueillir une fraction légère appelée distillat, et une...) fractionnée. Le procédé de réduction qui s’ensuit consiste alors à faire réagir ce tétrachlorure en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse sur du magnésium liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) selon la réaction :

TiCl + 2 Mg → 2MgCl + Ti

La réaction est réalisée sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ou sous gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) (argon). Le chlorure de magnésium est séparé par décantation, puis, dans une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...) étape, par distillation sous vide vers 900 à 950 °C, ou par lavage à l’acide. Le titane obtenu est un solide poreux faisant penser à une éponge (Les éponges constituent l’embranchement (vraisemblablement paraphylétique) des Spongiaires et sont des animaux sans système nerveux ni tube digestif. Leur corps n’est...), d’où son nom d’éponge de titane.

Depuis le début de sa mise en exploitation industrielle en 1945, le procédé Kroll n’a pas subi d’évolution notable dans son principe physico-chimique, si ce n’est dans le rendement de la réaction.

Élaboration du titane haute pureté

Une fois l’éponge obtenue, on la broie afin d’obtenir des copeaux de titane. Ce lot est ensuite homogénéisé dans un mélangeur (Un mélangeur est un circuit permettant de combiner plusieurs signaux contenant des informations différentes en électronique analogique,) soit sous gaz neutre soit sous aspiration violente, de manière à prévenir toute inflammation (Une inflammation est une réaction de défense immunitaire stéréotypée du corps à une agression : infection, brûlure, allergie…) des fines de titane (particules d’une centaine de micromètre) 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 à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), sous forme de cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c),...) dense appelé compact. La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) relative du compact autorise alors toute manutention en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de constituer une électrode par empilement de ces compacts, étage par étage, et soudage entre eux par plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes...) ou faisceau d’électrons. On fabrique ainsi une électrode primaire.

Le lingot de titane pur à 99,9% peut finalement être obtenu par différentes techniques de fusion :

  1. la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une...) sous vide par électrode consommable ou VAR (Vacuum Arc Reduction) : les électrodes de titane sont fusionnées par refusion à l’arc sous vide. Cela revient à créer un arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste et physicien anglais sir Humphry Davy en 1813. L'explication de l'arc...) de faible voltage et haute intensité (30 à 40 V ; 20000 à 40000 A) entre le bas de l’électrode de titane et un creuset (Un creuset est un pot en matériau réfractaire ou en métal servant à la fusion ou la calcination.) en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...) refroidi par eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Le bas de l’électrode s’échauffe et sa température passe au-delà du liquidus ; les gouttelettes de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un des...) tombent alors dans un puits liquide contenu dans une gaine de métal que l’on nomme la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) du lingot. On refond ainsi le lingot plusieurs fois selon la pureté désirée. À chaque refusion, on augmente le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est...) des lingots ; ces derniers pèsent couramment entre 1 et 10 tonnes et ont un diamètre de 0,5 à 1 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la...).
  2. la fusion à foyer froid par faisceau d’électron ou EB (Electron Beam)
  3. la fusion à foyer froid par faisceau plasma ou PAM (Plasma Arc Melting)
  4. la fusion par induction ou ISM (Induction Skull Melting).

Pour fabriquer un lingot de titane pur, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) fondue peut être soit exclusivement de l’éponge, soit un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange....) d’éponge et de déchet (Un déchet (détritus, résidu..) est un objet en fin de vie ou une substance issue d'un processus, jugés devenus inutiles ou dangereux ou encombrants, et dont on veut se débarrasser.) de titane (scrap), soit exclusivement du déchet de titane. Les lingots d’alliage de titane sont obtenus en mélangeant à la matière titane les éléments d’addition, comme le vanadium et l’aluminium, pour obtenir après fusion l’alliage souhaité. L’alliage le plus couramment utilisé est le TiAl6V4. En fonction des techniques de fusion utilisées et selon les besoins en termes d’homogénéité des produits obtenus, le cycle de production peut comprendre deux, voire trois fusions successives du même lingot.

Les lingots sont en général transformés par forgeage à chaud et usinage pour obtenir des demi-produits sous forme de brames, bloom ou billette. Puis on obtient des produits finis (feuilles, bobines, barres, plaques, câbles etc.) par différentes étapes de transformation de laminage, forgeage, extrusion, usinage etc. Les pièces de fonderie (La fonderie est l'un des procédés de formage des métaux qui consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule pour reproduire, après refroidissement, une pièce donnée (forme intérieure...) sont en général réalisées directement à partir du lingot de fusion auquel est rajoutée une proportion variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une...) de scrap.

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