Différences clés entre l’usinage du TC4 (Ti-6Al-4V) et d’autres alliages de titane

Du point de vue de l’ingénierie et de la fabrication, l’usinage du TC4 (Ti-6Al-4V, Grade 5) présente un ensemble distinct de défis et de considérations par rapport aux autres alliages de titane, principalement en raison de sa métallurgie spécifique, située entre les familles alpha et bêta. Les principales différences proviennent de la composition, de la résistance, des propriétés thermiques et, par conséquent, de l’usinabilité.

Composition métallurgique et microstructure

Le TC4 est un alliage alpha-bêta, avec l’aluminium stabilisant la phase alpha et le vanadium stabilisant la phase bêta. Cette structure équilibrée lui confère d’excellentes propriétés mécaniques globales. En revanche, les titanes commercialement purs (CP) (par ex. Grade 2) sont majoritairement alpha, ce qui les rend plus tendres, plus ductiles et généralement plus faciles à usiner, mais avec une résistance moindre. Les alliages bêta, tels que le Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3), sont plus riches en éléments stabilisants de la phase bêta. Ces alliages sont souvent usinés à l’état traité-solution, où ils sont plus ductiles, mais peuvent atteindre une très haute résistance après vieillissement, ce qui augmente la difficulté des opérations d’usinage secondaires en raison d’une dureté extrême.

Usinabilité et usure des outils

Le TC4 est souvent considéré comme la référence pour l’usinabilité du titane, bien qu’il demeure un matériau difficile. Sa résistance relativement élevée (résistance à la traction ultime ~900 MPa) et sa capacité à la conserver à des températures élevées entraînent des forces de coupe importantes et une forte pression sur l’outil. Le principal problème réside dans sa faible conductivité thermique, qui provoque une concentration de chaleur à l’interface outil-pièce au lieu d’être évacuée avec le copeau. Cela entraîne une usure rapide de l’outil, une déformation plastique du tranchant et un écrouissage si les paramètres ne sont pas corrects. Comparé au titane CP plus tendre, le TC4 exige des outils plus robustes, des vitesses de coupe plus faibles et un refroidissement intensif. Par rapport aux alliages bêta vieillis comme le Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553), le TC4 peut être moins exigeant, car les alliages bêta vieillis atteignent des résistances supérieures à 1100 MPa, les rendant exceptionnellement abrasifs et éprouvants pour les outils de coupe.

Gestion thermique et contrôle des copeaux

La faible conductivité thermique, caractéristique commune à tous les alliages de titane, est un facteur critique dans l’usinage du TC4. Cependant, son comportement spécifique de formation de copeaux diffère. Le TC4 produit un copeau segmenté en « dents de scie », résultant d’un cisaillement adiabatique. Bien que cela puisse théoriquement réduire l’énergie totale de coupe, il génère des copeaux fins et tranchants susceptibles de s’emmêler et d’entraver le flux de lubrifiant vers la zone de coupe. Une évacuation efficace des copeaux est primordiale et nécessite souvent des systèmes de lubrification à haute pression et à grand volume à travers le porte-outil. Les procédés tels que notre service de fraisage CNC et notre service de tournage CNC sont optimisés selon ces paramètres. En revanche, le titane CP plus ductile produit des copeaux longs et filandreux, tandis que certains alliages bêta à haute résistance peuvent générer des copeaux encore plus fragmentés mais extrêmement abrasifs.

Stratégies d’outillage et de procédé

La réussite de l’usinage du TC4 repose sur une stratégie dédiée. Les outils en carbure avec géométries tranchantes et polies, dotés de revêtements spécialisés (par ex. PVD AlTiN), sont la norme. La rigidité de la machine, de la pièce et du dispositif de serrage est non négociable pour contrer la tendance du matériau à vibrer et à provoquer du broutement. Le fraisage trochoïdal et le perçage par à-coups (« peck drilling ») sont souvent utilisés pour gérer l’engagement de l’outil et la chaleur. Pour des alliages encore plus exigeants, comme ceux de la catégorie usinage CNC des superalliages, ces stratégies atteignent leurs limites et des méthodes non conventionnelles telles que l’usinage par décharge électrique (EDM) deviennent nécessaires. De plus, les traitements thermiques post-usinage, tels que le traitement thermique pour l’usinage CNC, peuvent être appliqués au TC4 pour soulager les contraintes — une étape courante pour de nombreux alliages de titane hautes performances.

Choix de l’alliage en fonction de l’application

Le choix de l’alliage est fondamentalement dicté par l’application. L’excellent équilibre du TC4 entre résistance, légèreté, résistance à la corrosion et biocompatibilité en fait le matériau de référence pour les structures aéronautiques et les composants de dispositifs médicaux tels que les implants. Lorsque des performances supérieures en résistance statique ou en fatigue sont requises, un alliage bêta tel que le Ti5553 peut être choisi, en acceptant la difficulté accrue d’usinage. Pour les applications purement résistantes à la corrosion, où la résistance mécanique est moins critique, le titane CP, plus facile à usiner, est l’option économique. Notre service d’usinage de précision est équipé pour gérer l’ensemble de ce spectre, en sélectionnant les paramètres et trajectoires d’outils optimaux pour chaque nuance de titane afin de garantir l’intégrité de la pièce et la rentabilité du processus.