Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Introduction au Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) est la version « Extra-Low Interstitial » (ELI) du très répandu alliage Ti-6Al-4V, offrant une ductilité accrue, une ténacité à la rupture supérieure et une excellente biocompatibilité. Ces caractéristiques en font un matériau idéal pour les implants médicaux critiques, les fixations aéronautiques et les composants cryogéniques nécessitant une pureté élevée et une résistance en fatigue exceptionnelle.
Le Grade 23 se fabrique de préférence par des services d’usinage CNC adaptés aux alliages de titane haute performance. Les pièces en titane usinées CNC en Ti-6Al-4V ELI sont couramment utilisées dans des applications à enjeux élevés (implants chirurgicaux, supports moteur, quincaillerie marine profonde) où l’intégrité du matériau est non négociable.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (% masse) | Rôle clé |
|---|---|---|
Titane (Ti) | Équilibre | Élément de base offrant une forte résistance à la corrosion |
Aluminium (Al) | 5,5–6,5 | Stabilisateur alpha, améliore la résistance et les performances thermiques |
Vanadium (V) | 3,5–4,5 | Stabilisateur bêta, augmente la résistance et la ductilité |
Oxygène (O) | ≤0,13 | Teneur réduite pour améliorer la ductilité et la ténacité à la rupture |
Fer (Fe) | ≤0,25 | Élément résiduel |
Carbone (C) | ≤0,08 | Contrôlé pour préserver la soudabilité |
Azote (N) | ≤0,05 | Réduit afin de limiter la fragilisation |
Hydrogène (H) | ≤0,0125 | Très bas pour la biocompatibilité et la maîtrise de la corrosion |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 4,43 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1604–1660°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 6,7 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,65 µΩ·m à 20°C | ASTM B193 |
Dilatation thermique | 8,8 µm/m·°C | ASTM E228 |
Capacité calorifique spécifique | 560 J/kg·K à 20°C | ASTM E1269 |
Module d’élasticité | 114 GPa | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (état recuit)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 825–900 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2%) | 795–860 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥15% | ASTM E8/E8M |
Dureté | 280–320 HB | ASTM E10 |
Ténacité à la rupture | >75 MPa√m | ASTM E399 |
Résistance à la fatigue | Excellente | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Biocompatibilité élevée : de faibles teneurs en oxygène et hydrogène rendent le Grade 23 adapté aux implants médicaux avec des exigences strictes (ISO 10993 et ASTM F136).
Excellente ténacité à la rupture : une ténacité améliorée à température cryogénique et sous charges dynamiques assure la fiabilité dans les applications aéronautiques et chirurgicales critiques.
Résistance à la corrosion et à l’oxydation : résiste aux chlorures, aux milieux salins et aux fluides biologiques, avec formation d’une couche d’oxyde stable.
Soudabilité et usinabilité : facilement soudable sous protection inerte ; usinable à des tolérances serrées avec des outils et un refroidissement adaptés.
Défis et solutions d’usinage CNC du titane Grade 23
Défis d’usinage
Génération de chaleur et faible conductivité : comme d’autres alliages de titane, le Ti-6Al-4V ELI accumule la chaleur dans la zone de coupe, accélérant l’usure des outils.
Reprise élastique : avec un module de 114 GPa, la reprise élastique en finition peut affecter la précision dimensionnelle des sections minces.
Grippage et entaillage : le grippage peut apparaître sur l’arête de coupe en usinage à sec ou avec un refroidissement insuffisant.
Exigences d’état de surface : les pièces médicales et aéronautiques exigent souvent Ra < 0,4 µm, nécessitant une coupe optimisée et des finitions post-usinage.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure à grain fin ou carbure revêtu | Maintien de l’arête et résistance thermique |
Revêtement | AlTiN ou TiCN (≥3 µm) | Réduit l’adhérence et l’oxydation de l’outil |
Géométrie | Arête vive, angle positif | Diminue les efforts de coupe et l’échauffement |
Vitesse de coupe | 20–45 m/min | Maîtrise les contraintes thermiques |
Avance | 0,10–0,20 mm/tr | Stabilise la formation des copeaux |
Arrosage | Émulsion aqueuse ≥100 bar | Améliore le refroidissement et l’intégrité de surface |
Paramètres de coupe du Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) (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 (arrosage interne) |
Finition | 40–50 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Traitements de surface des pièces en titane Grade 23
Le pressage isostatique à chaud (HIP) améliore la résistance en fatigue et élimine la porosité interne, essentiel pour les composants biomédicaux et aéronautiques.
Le traitement thermique comprend une détente et un vieillissement vers ~700°C pour renforcer la constance mécanique et la stabilité dimensionnelle.
Le soudage des superalliages assure des assemblages de haute intégrité pour les outillages chirurgicaux ou les carters aéronautiques via une protection gazeuse inerte.
Le revêtement barrière thermique (TBC) offre une protection pour les supports moteur et zones soumises à de forts cycles thermiques.
L’usinage CNC permet des tolérances de ±0,01 mm pour des implants et ferrures moteur nécessitant une précision dimensionnelle élevée.
L’usinage par électroérosion (EDM) réalise des micro-détails complexes sans imposer de contraintes mécaniques.
Le forage profond permet des alésages de précision avec Ra ≤1,6 µm et L/D > 30:1, notamment pour des implants orthopédiques ou des actionneurs aéronautiques.
Les essais matériaux incluent des essais de traction, l’évaluation microstructurale et le contrôle ultrasonore selon ASTM F136 et AMS 4930.
Essais et analyses des matériaux
Le Grade 23 fait l’objet de validations rigoureuses : essais de traction, évaluation de la ténacité à la rupture, inspection SEM, essais de corrosion et détection de défauts par ultrasons afin de satisfaire les exigences de certification aéronautiques et médicales.
Applications industrielles du Ti-6Al-4V ELI (Grade 23)
Dispositifs médicaux : implants chirurgicaux, vis osseuses et structures dentaires nécessitant une excellente fatigue et une biocompatibilité élevée.
Aéronautique : équerres de moteurs, fixations structurelles et systèmes carburant cryogéniques.
Production d’énergie : composants haute pression résistants à la corrosion pour turbines et réseaux de tuyauterie.
Équipements industriels : pièces pour systèmes en salle blanche, réacteurs chimiques et environnements marins.
Explorer les blogs associés
