Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Introduction au Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Le Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, également connu sous le nom de titane Grade 4 dans la famille des alliages aéronautiques, est un alliage de titane quasi-alpha conçu pour offrir une excellente résistance à haute température, une grande stabilité thermique et une bonne résistance à la corrosion. Cet alliage est largement utilisé dans les turbines à gaz, les structures aéronautiques et d’autres applications nécessitant des performances durables sous températures élevées.
Sa stabilité mécanique fiable et sa résistance à l’oxydation en font un matériau de choix pour des pièces en titane usinées CNC de haute spécification. Pour les applications exigeant des tolérances serrées et un contrôle dimensionnel en environnements extrêmes, les fabricants s’appuient sur des services d’usinage CNC avancés afin de produire des composants de précision en titane Grade 4.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (% masse) | Rôle clé |
|---|---|---|
Titane (Ti) | Équilibre | Élément de base avec résistance à la corrosion et à la chaleur |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Stabilisateur alpha pour la résistance à haute température |
Étain (Sn) | 1,8–2,5 | Améliore la résistance au fluage |
Zirconium (Zr) | 3,6–4,5 | Renforce la résistance à l’oxydation et la résistance mécanique |
Molybdène (Mo) | 1,8–2,5 | Stabilisateur bêta augmentant la trempabilité |
Silicium (Si) | ≤0,25 | Renforce la matrice et améliore la résistance au fluage |
Oxygène (O) | ≤0,15 | Renforce mais affecte la ductilité |
Fer (Fe) | ≤0,30 | Élément résiduel |
Hydrogène (H) | ≤0,015 | Contrôlé pour éviter la fragilisation |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 4,55 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 6,8 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,62 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 8,5 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 570 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 108 GPa | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (état recuit)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 860–980 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2 %) | 790–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥10 % | ASTM E8/E8M |
Dureté | 300–340 HB | ASTM E10 |
Résistance au fluage | Excellente | ASTM E139 |
Résistance à la fatigue | Élevée | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Résistance à haute température : le Grade 4 conserve une résistance élevée et une bonne tenue au fluage jusqu’à 500°C, ce qui le rend adapté aux moteurs de turbines à gaz, aux structures aéronautiques et aux écrans thermiques.
Excellente résistance à l’oxydation : l’ajout de Zr et de Sn favorise la formation d’une couche d’oxyde stable, garantissant une durabilité à long terme dans des environnements à haute température et riches en oxygène.
Résistance à la fatigue thermique : l’équilibre des éléments d’alliage assure une stabilité sous cycles de chauffage/refroidissement, essentielle pour les composants de l’aéronautique et de la production d’énergie.
Soudabilité et stabilité supérieures : malgré sa nature quasi-alpha, l’alliage se soude facilement et conserve l’équilibre de phases après les cycles thermiques, idéal pour les assemblages haute pression.
Défis et solutions d’usinage CNC du titane Grade 4
Défis d’usinage
Taux élevé d’écrouissage : le Grade 4 a tendance à s’écrouir au contact de l’outil, nécessitant une charge copeau optimisée et des arêtes très vives afin d’éviter les déformations de surface.
Faible conductivité thermique : avec une conductivité de seulement 6,8 W/m·K, l’alliage retient la chaleur à l’interface outil-copeau, réduisant la durée de vie des outils et augmentant le risque de déformation thermique.
Usure d’outil et grippage : la formation d’oxydes agressifs et les zones enrichies en bêta accélèrent l’usure et favorisent l’adhérence des copeaux sur l’outil, dégradant l’état de surface.
Retour élastique : avec un module de 108 GPa, l’alliage présente un retour élastique mesurable, en particulier sur les pièces à parois minces et lors des opérations de finition.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure à grain fin ou plaquettes céramiques | Haute résistance et tenue à la chaleur |
Revêtement | AlTiN ou TiSiN (3–5 µm) | Réduit l’arête rapportée (BUE) et augmente la durée de vie outil |
Géométrie | Arête vive, grand angle de coupe | Diminue l’effort de coupe et l’apport thermique |
Vitesse de coupe | 25–60 m/min | Évite la surchauffe et le durcissement de surface |
Avance | 0,10–0,25 mm/tr | Favorise la formation des copeaux et évite le glaçage |
Lubrification | Émulsion, ≥100 bar | Assure un refroidissement efficace et l’évacuation des copeaux |
Paramètres de coupe du Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4) (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 | 45–65 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Traitement de surface des pièces en titane Grade 4
Le pressage isostatique à chaud (HIP) densifie les microvides internes et augmente la durée de vie en fatigue, en particulier pour les composants critiques en vol.
Le traitement thermique comprend un vieillissement à 600–675°C afin d’améliorer la résistance au fluage et la stabilité dimensionnelle des pièces de turbine.
Le soudage des superalliages garantit des soudures de fusion à pleine résistance pour les ensembles aéronautiques et de propulsion, en utilisant des baguettes d’apport compatibles.
Le revêtement barrière thermique (TBC) ajoute une protection contre l’oxydation et la fatigue thermique pour les composants de turboréacteurs et les réacteurs à haute température.
L’usinage CNC permet d’atteindre des tolérances de ±0,01 mm et convient parfaitement aux pièces de vol, brides haute performance et supports.
L’usinage par électroérosion (EDM) permet d’obtenir des caractéristiques précises telles que des orifices et des poches profondes dans des pièces traitées thermiquement.
Le forage de trous profonds permet des profondeurs d’alésage avec un rapport L/D > 30:1 et un état de surface Ra ≤ 1,6 µm pour des composants structurels et de refroidissement.
Les essais matériaux incluent traction, rupture au fluage, microstructure SEM et CND par ultrasons selon les standards QA aéronautiques.
Essais et analyses des matériaux
La validation matière du Grade 4 comprend des essais de traction à haute température, l’évaluation de rupture au fluage, la microdureté, la diffraction des rayons X (XRD) et l’analyse métallographique, afin d’assurer la conformité aux normes aéronautiques et nucléaires.
Applications industrielles du Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Grade 4)
Aéronautique : carters moteur, composants de postcombustion et pièces de tuyère fonctionnant au-dessus de 400°C.
Production d’énergie : aubes de turbines à gaz, conduits d’échappement et éléments de chambre de combustion haute pression.
Systèmes de défense : connecteurs structurels aéronautiques et doublures de systèmes de propulsion nécessitant une endurance thermique.
Équipements industriels : échangeurs thermiques et joints haute pression en environnements corrosifs et soumis à des cycles thermiques.
Fixations aéronautiques : boulons et systèmes de brides pour zones à fatigue à grand nombre de cycles et charges thermiques élevées.
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