Titane - Définition

Symbolique

Le titane est le 11^e niveau dans la progression de la Sarbacane sportive.

Utilisations

Montre en titane.

Aspects généraux

La plus grande utilisation du titane (95%) est faite sous sa forme de dioxyde de titane TiO (anatase), qui est un pigment important utilisé à la fois dans les peintures domestiques et les pigments des artistes, les matières plastiques, le papier, les médicaments… Il a un bon pouvoir couvrant et est assez résistant au temps. Les peintures à base de titane sont de très bons réflecteurs des infrarouges, et sont donc très utilisées par les astronomes.

Autrefois réputé cher à cause de sa valeur d’achat, le titane est de plus en plus considéré comme économique dans les coûts d’exploitation. La clé du succès pour sa rentabilité est d’utiliser au maximum ses propriétés et caractéristiques uniques dès la conception, plutôt que de les substituer ex abrupto à un autre métal. Les coûts d’installation et d’exploitation des tubes de forage en titane dans des exploitations pétrolières offshore sont entre 50 et 200 % plus bas qu’avec la référence acier. En effet, d’une part, la résistance à la corrosion évite les opérations de revêtement des tubes et permet des durées de vie trois à cinq fois supérieures à l’acier et d’autre part, la valeur élevée de sa résistance spécifique permet de réaliser des tubes fins et ultralégers. Cet exemple montre bien que le titane, initialement employé dans le domaine aéronautique touche de plus en plus de secteurs.

Industries aéronautiques et aérospatiales

Les domaines de l’aéronautique et de l’aérospatiale constituent la première des applications historiques du titane. Dans ce secteur on utilise totalement ses caractéristiques spécifiques.

De nos jours, le titane constitue 6 à 9% de la masse des avions. On en trouve tout d’abord sous forme de pièces forgées, dont la plus impressionnante est le train d’atterrissage du Boeing 777, mais aussi sous forme de boulons. Il ne faut pas oublier les éléments de moteurs, à savoir les étages basses et hautes pression à moyennes températures : disques de compresseurs, aubes de compresseurs, carters structuraux, carter Fan, aubes Fan etc. ; la température maximale d’utilisation étant limitée à 600 °C.

Le titane peut se former à chaud (température < 800°C). Ses caractéristiques de superplasticité (température de formage 920°C) permettent d'obtenir des formes très complexes. Il est également utilisé comme élément de structure en présence de composites carbone.

Dans le domaine de l’espace, il est utilisé pour les éléments du moteur Vulcain d’Ariane 5 en contact avec le mélange H / O et sa combustion ; les rouets centrifuges sont ainsi soumis à des températures cryogéniques d’un côté (température H liquide) et à celles de la combustion de l’autre. Il sert aussi de réservoir aux gaz de propulsion pour les satellites grâce à ses bonnes propriétés cryogéniques et à sa résistance à la corrosion des gaz propulseurs. Enfin, comme c’est un métal faiblement magnétique, il est embarqué sur les stations spatiales sous forme d'outil du fait qu’il peut évoluer en apesanteur près des appareillages électriques sans risque de créer un arc.

Industrie chimique

Le secteur de la chimie au sens large correspond à la seconde utilisation historique du titane.

On trouve des tubes en titane dans de nombreux condenseurs, où sa résistance à la corrosion et à l’abrasion permet des durées de vie élevées.

Il sert aussi sous forme de réacteurs dans les raffineries (résistance à HS et CO) et pour le blanchiment de la pâte à papier (résistance au Cl).

Au Japon, il est également utilisé dans les traitements des eaux en raison de sa résistance à la corrosion et aux agents biologiques.

Industrie militaire

On l’emploie comme blindage (porte-avions américains) où ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et au feu sont mises en avant. Aux États-Unis, on a même été jusqu’à concevoir des véhicules légers, dont la carrosserie en titane possède une résistance spécifique inégalable et facilite le transport par hélicoptère.

Mais la plus spectaculaire des utilisations est bien sûr la réalisation de plusieurs sous-marins nucléaires par les russes comme la classe Alfa dont la coque entière est en titane. L'avantage du titane dans ce cas est double :

• sa grande résistance permet au sous-marin d'atteindre de plus grandes profondeurs ;
• le titane étant amagnétique, le sous-marin échappe aux détections satellitaires qui utilisent les changements ponctuels du champ magnétique terrestre créés par les coques en aciers. (Cette méthode est devenue obsolète à cause de l'adjonction de circuits électroniques spécialisés qui rendent imperceptible la signature magnétique d'un sous-marin).

Ainsi, le titane est considéré comme l'une des huit matières premières stratégiques indispensables en temps de guerre comme en temps de paix.

Le défaut majeur de ces coques est leur prix, dû au titane ainsi qu'à la difficulté de le souder.

Secteur biomédical

On dispose actuellement d’un retour d’expérience d’une petite trentaine d’années d’utilisation dans le domaine médical. Son emploi s’est développé en raison de son caractère biocompatible. En effet, l'os adhère spontanément au titane ce qui en fait un matériau privilégié pour la réalisation de prothèses. En plus de cet aspect biocompatible, le titane est mécanocompatible. Le titane a aussi fait une percée importante dans le domaine de l’odontologie où il sert d’implant dans l'os pour les supports de prothèses ainsi que pour la confection d'infrastructures prothétiques appelées chapes ou "armatures" dans le jargon du chirurgien dentiste. Le NiTi est aussi utilisé en orthodontie où ses propriétés super-élastiques en font un matériaux de choix pour la fabrication des arcs qui permettent de corriger la position des dents.

Toutefois, des études récentes mettent un bémol à la biocompatibilité du titane que l'on pensait jusque-là totale. Des études récentes font état d'une toxicité cellulaire du titane responsable dans certains cas d'une ostéolyse aseptique conduisant à la perte de la prothèse orthopédique. En bouche, le titane réagit au contact de la salive, en particulier quand d'autres métaux (alliages, amalgames) coexistent. En outre une part faible de la population (4%) y serait allergique.

Il faut enfin signaler l’apparition d’outillage en titane pour la chirurgie, comme les forets creux refroidis à l’eau. À l’inverse de l’acier, tout débris d’outil en titane pouvant rester dans le corps n’occasionnera pas d’infection postopératoire, du fait de sa biocompatibilité.

Enfin, le titane rentre dans la composition des bobines supraconductrices des appareils IRM en association avec un autre métal de transition : le niobium.

Industrie énergétique

Le titane est également utilisé, notamment aux États-Unis, dans les circuits secondaires de réacteurs nucléaires afin de minimiser le nombre d’arrêts de tranches qui sont extrêmement coûteux. Il faut aussi noter son utilisation dans la géothermie sous forme de canalisations et de carters et dans les échangeurs de chaleurs (tubes droits ou en U), toujours pour sa tenue à la corrosion et sa résistance à l’érosion. Enfin grâce à sa résistance spécifique élevée, on en utilise dans les turbines génératrices de vapeur sous forme d’aubes ; dans ce cas, on réduit fortement les arrêts de centrale dus aux ruptures d’aubes.

Industrie automobile

Un nouveau secteur d’application semble bien être la construction automobile. C’est surtout les marques allemandes, japonaises et américaines qui introduisent des pièces de titane dans les voitures de tourisme. Ce qui est recherché est l’allègement des structures visant à réduire à la fois les émanations du moteur et le bruit ; on trouve ainsi des soupapes, des ressorts et des bielles en titane. Le cas des ressorts est typique d’une bonne utilisation des propriétés du titane : comme son module de Young est deux fois plus faible que celui de l’acier, il faut deux fois moins de spires ; comme il est deux fois moins dense que l’acier, le ressort est quatre fois plus léger, et il faut deux fois moins de place pour le loger dans la suspension. Si on ajoute à cela qu’il a une durée de vie quasi illimitée, même sur les routes à haut degré de salinité, on comprend l’intérêt de l’industrie automobile.

Autres utilisations

• Le tétrachlorure de titane est utilisé pour iriser le verre, et comme il fume beaucoup au contact de l'air comme écran de fumée.
• Son côté inerte et sa couleur agréable en font un métal courant pour les bijoux de piercing ; la coloration du titane par anodisation est actuellement largement utilisée en bijouterie artisanale ;
• Il est parfois utilisé comme catalyseur.
• Il est utilisé en architecture comme matériau de recouvrement. Ses propriétés de résistance à la corrosion mais surtout sa faculté, par anodisation thermique, à se couvrir d’une couche d’oxyde extrêmement résistante, pouvant prendre toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, en font un matériau de choix (exemple du musée Guggenheim à Bilbao).
• Il a servi pour la coque des PowerBook G4 Titanium d' Apple Inc..
• Il est utilisé pour fabriquer des cadres de bicyclettes haut de gamme.
• Il est utilisé en pyrotechnie, soit en mélange sous forme de copeaux avec la poudre noire pour produire des étincelles blanches, soit en complément de perchlorates pour provoquer de fortes explosions : par exemple un "marron d'air titanium" n'est autre qu'une bombe de feu d'artifice qui produit un éclair blanc avec une forte détonation.