Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Introduction au Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Le Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, largement connu sous le nom de Ti5553, est un alliage de titane quasi-bêta à haute résistance développé pour l’aéronautique, la défense et les applications structurales nécessitant des performances mécaniques exceptionnelles. Il est réputé pour son excellent rapport résistance/poids, sa forte résistance à la fatigue et sa grande trempabilité en profondeur, ce qui le rend idéal pour des composants soumis à des conditions de charge extrêmes.
En raison de sa dureté et de sa complexité métallurgique, le Ti5553 se travaille de préférence avec des services d’usinage CNC avancés. Les pièces en titane usinées CNC de haute précision réalisées en Ti5553 doivent respecter des tolérances dimensionnelles serrées et des exigences strictes d’état de surface, notamment pour les éléments structuraux d’aéronef, les trains d’atterrissage et les systèmes militaires.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (% masse) | Rôle clé |
|---|---|---|
Titane (Ti) | Équilibre | Assure la résistance à la corrosion et la résistance de base |
Aluminium (Al) | 4,5–5,5 | Stabilisateur alpha, augmente la résistance à haute température |
Vanadium (V) | 4,5–5,5 | Stabilisateur bêta, améliore la fatigue et la ténacité |
Molybdène (Mo) | 4,5–5,5 | Améliore la résistance au fluage et la trempabilité |
Chrome (Cr) | 2,5–3,5 | Contribue à la stabilité des phases et à la résistance à la corrosion |
Zirconium (Zr) | ≤0,3 | Augmente la résistance au fluage et à la fatigue |
Oxygène (O) | ≤0,15 | Renforce l’alliage, impacte la ductilité |
Fer (Fe) | ≤0,25 | Élément résiduel |
Hydrogène (H) | ≤0,015 | Contrôlé pour éviter la fragilisation |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 4,78 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1600–1650°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 6,8 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,70 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 8,6 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 560 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 115 GPa | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (traitement de mise en solution + vieillissement)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 1100–1350 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2 %) | 1030–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥8 % | ASTM E8/E8M |
Dureté | 340–390 HB | ASTM E10 |
Résistance au fluage | Excellente | ASTM E139 |
Résistance à la fatigue | Élevée | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Très haute résistance : avec des limites d’élasticité dépassant 1200 MPa, le Ti5553 rivalise avec l’acier en performance tout en offrant une densité presque deux fois plus faible.
Dominance de la phase bêta : sa microstructure quasi-bêta offre une excellente trempabilité et une bonne aptitude au traitement thermique, idéale pour les pièces forgées ou à fortes épaisseurs.
Ténacité à la rupture supérieure : bonnes performances en environnements de fatigue à grand nombre de cycles, critique pour les fixations aéronautiques et les liaisons structurales.
Stabilité thermique et soudabilité : bien que le soudage soit exigeant en raison de la teneur en phase bêta, il est réalisable avec un métal d’apport approprié et un traitement thermique après soudage.
Défis et solutions d’usinage CNC du Ti5553
Défis d’usinage
Haute résistance et écrouissage : le Ti5553 s’écrouit rapidement, ce qui augmente les efforts de coupe et peut provoquer des déformations de surface s’il n’est pas usiné avec des outils optimisés.
Faible conductivité thermique : génère de la chaleur à l’interface outil-pièce, accélérant l’usure des outils et augmentant le risque de dérive dimensionnelle.
Adhérence à l’outil et usure en entaille : la phase bêta de l’alliage favorise le grippage et l’usure en entaille, notamment sur les arêtes d’outil en tournage et perçage.
Contrôle de tolérances serrées : le retour élastique et la reprise élastique (module ~115 GPa) nécessitent une compensation lors des dernières étapes de finition.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure à grain fin ou CBN | Assure la durabilité sous fortes contraintes de coupe |
Revêtement | AlTiN ou TiSiN (≥4 µm) | Apporte une protection thermique et contre l’abrasion |
Géométrie | Angle de coupe positif, arête rodée | Minimise la pression de coupe et l’usure de l’arête |
Vitesse de coupe | 20–50 m/min | Réduit l’accumulation thermique |
Avance | 0,10–0,25 mm/tr | Assure une formation de copeaux propre |
Lubrification | Émulsion haute pression ≥100 bar | Empêche la surchauffe et le soudage des copeaux |
Paramètres de coupe du Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553) (conformité ISO 3685)
Opération | Vitesse (m/min) | Avance (mm/tr) | Profondeur de passe (mm) | Pression du lubrifiant (bar) |
|---|---|---|---|---|
Ébauche | 20–30 | 0,15–0,20 | 2,0–3,0 | 80–100 (arrosage interne) |
Finition | 45–60 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Traitement de surface des pièces en titane Ti5553
Le pressage isostatique à chaud (HIP) augmente la résistance à la fatigue et la compacité structurale, idéal pour les trains d’atterrissage et les systèmes de biellettes.
Le traitement thermique comprend une mise en solution à ~830–870°C et un vieillissement à 480–600°C pour optimiser la résistance.
Le soudage des superalliages nécessite un métal d’apport compatible bêta et un détensionnement après soudage afin d’éviter la couche alpha (« alpha case ») ou la fragilisation.
Le revêtement barrière thermique (TBC) protège les composants en environnements de poussée et de propulsion à haute température.
L’usinage CNC garantit des tolérances de ±0,01 mm sur des pièces telles que bras de commande et équerres structurales fortement chargées.
L’usinage par électroérosion (EDM) convient aux profils internes complexes et aux caractéristiques fines.
Le forage de trous profonds assure une rectitude <0,3 mm/m avec Ra ≤1,6 µm dans les assemblages aéronautiques épais ou structuraux.
Les essais matériaux incluent le SEM, la cartographie de dureté, l’analyse du fluage et l’inspection par ultrasons afin d’assurer la conformité aux exigences aéronautiques.
Essais et analyses des matériaux
Le Ti5553 est évalué par des essais de traction à haute température, la validation des phases microstructurales, des essais de résistance au fluage et du CND par ultrasons, conformément aux normes AMS et ASTM.
Applications industrielles du Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5553)
Aéronautique : utilisé pour les cloisons, poutres de train d’atterrissage et éléments structuraux nécessitant une très haute résistance.
Défense : utilisé pour des cadres de blindage, composants de missiles et structures résistantes aux explosions.
Production d’énergie : idéal pour les carters de compresseur et composants de turbine soumis à des charges cycliques.
Équipements industriels : accouplements mécaniques à fortes contraintes et assemblages porteurs en automatisation et robotique.
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