Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Introduction au Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, communément appelé Ti-15-3, est un alliage de titane bêta métastable développé pour l’aéronautique et des applications industrielles hautes performances. Il est reconnu pour son excellent rapport résistance/poids, sa très bonne aptitude au formage à froid et sa ténacité remarquable après traitement thermique. Le Ti-15-3 est particulièrement adapté au profilage par rouleaux, au formage superplastique et à l’emboutissage profond à froid, en plus de l’usinage CNC de précision.
Grâce à son excellente usinabilité à l’état traité en solution, le Ti-15-3 est un choix idéal pour produire des pièces en titane usinées CNC hautes performances. Ces pièces, fabriquées via des services d’usinage CNC avancés, se retrouvent souvent dans les structures aéronautiques, les supports moteur et les composants de précision nécessitant une grande résistance et une excellente tenue en fatigue.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (wt.%) | Rôle clé |
|---|---|---|
Titane (Ti) | Équilibre | Fournit la base structurelle et la résistance à la corrosion |
Vanadium (V) | 14.0–16.0 | Stabilisateur bêta, améliore la résistance et la trempabilité |
Chrome (Cr) | 2.5–3.5 | Améliore la résistance à l’oxydation et les propriétés au fluage |
Étain (Sn) | 2.5–3.5 | Contribue à la stabilité thermique et à la résistance |
Aluminium (Al) | 2.5–3.5 | Améliore la résistance à la fatigue et le contrôle des phases |
Oxygène (O) | ≤0.13 | Augmente la résistance ; doit être contrôlé pour préserver la ductilité |
Hydrogène (H) | ≤0.015 | Limité afin d’éviter la fragilisation |
Carbone (C) | ≤0.08 | Élément résiduel |
Fer (Fe) | ≤0.30 | Élément résiduel |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 4.66 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1590–1650°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 6.6 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1.68 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 550 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 105 GPa | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (traité en solution + vieilli)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2%) | 950–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥8% | ASTM E8/E8M |
Dureté | 330–360 HB | ASTM E10 |
Résistance à la fatigue | Élevée | ASTM E466 |
Aptitude au formage à froid | Excellente | ASTM F1162 |
Caractéristiques clés du Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Haute résistance et légèreté : le Ti-15-3 offre des résistances à la traction supérieures à 1000 MPa pour un poids d’environ la moitié de celui de l’acier, idéal pour les composants structurels aéronautiques.
Excellente aptitude au travail à froid : contrairement à la plupart des alliages de titane, le Ti-15-3 peut être formé à froid en géométries complexes sans fissuration, réduisant les étapes de fabrication.
Résistance à la fatigue supérieure : conserve ses propriétés mécaniques sous chargement cyclique, particulièrement utile pour les peaux d’avion et les supports/brides.
Bonne aptitude au traitement thermique : entièrement traitable thermiquement pour ajuster finement résistance, ténacité et durée de vie en fatigue.
Défis et solutions d’usinage CNC pour le titane Ti-15-3
Défis d’usinage
Usure d’outil : bien que plus usinable que les alliages alpha ou alpha-bêta, le Ti-15-3 provoque toujours une usure abrasive sur les outils non revêtus en conditions à sec ou avec une lubrification insuffisante.
Faible conductivité thermique : la chaleur se concentre à l’interface outil-pièce, entraînant une dégradation prématurée de l’outil sans forte pression d’arrosage.
Récupération élastique : avec un module de 105 GPa, le retour élastique après coupe impacte la précision dimensionnelle des pièces à tolérances serrées.
Écrouissage : nécessite des outils affûtés et des avances adaptées afin de limiter le durcissement et la rugosité de surface.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure (qualité K20/K30) | Assure une bonne durabilité face à l’usure et à la chaleur |
Revêtement | AlTiN ou TiCN | Résiste à l’oxydation et au grippage |
Géométrie | Dépouille positive, arête adoucie | Réduit la concentration de contraintes et la formation de bavures |
Vitesse de coupe | 25–50 m/min | Équilibre la chaleur et l’enlèvement de matière |
Avance | 0.10–0.25 mm/tr | Favorise un cisaillement net avec un minimum de vibration |
Arrosage | Émulsion par l’outil ≥100 bar | Assure la gestion thermique et prolonge la durée de vie de l’outil |
Paramètres de coupe du Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) (conformité ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression d’arrosage (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100 (par l’outil) |
Finition | 40–55 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Traitements de surface pour les pièces en titane Ti-15-3
Le pressage isostatique à chaud (HIP) améliore la résistance en fatigue et élimine les vides internes, augmentant l’intégrité structurelle.
Le traitement thermique consiste en un traitement en solution à ~800°C suivi d’un vieillissement à 480–540°C pour une résistance et une ductilité maximales.
Le soudage des superalliages permet un assemblage fiable avec traitement thermique après soudage afin de restaurer les propriétés du matériau.
Le revêtement barrière thermique (TBC) offre une protection dans des environnements cycliques à haute température, notamment dans les systèmes aéronautiques.
L’usinage CNC garantit des tolérances de ±0,01 mm pour les supports aéronautiques, les liaisons de commande et les nervures structurelles.
L’usinage par décharge électrique (EDM) permet la création précise de micro-détails sur des composants vieillis ou usinés durs.
Le perçage de trous profonds permet des alésages rectilignes avec Ra ≤1,6 µm et un rapport L/D >30:1 pour des applications aéronautiques et d’outillage.
Les essais de matériaux incluent la validation de la microstructure, le profilage de dureté, les essais de fatigue et les contrôles non destructifs (CND) selon les normes AMS.
Essais et analyses des matériaux
Les pièces en Ti-15-3 subissent des essais de fatigue, une validation de la structure de phases (via SEM/XRD), des essais de traction après vieillissement et des contrôles non destructifs par ultrasons afin de vérifier les performances matière pour des composants aptes au vol et des pièces à forte charge.
Applications industrielles du Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3)
Aéronautique : structures d’aéronefs, supports, actionneurs et peaux formées tirant parti d’une forte résistance à la fatigue et d’une excellente aptitude au formage à froid.
Défense : éléments structurels légers à haute résistance et composants de caissons d’engins.
Équipements industriels : bras porteurs et composants dynamiques pour l’automatisation avancée.
Production d’énergie : structures rotatives et raccords exposés à la fatigue thermique et vibratoire.
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