Ti-6Al-4V (TC4)

Introduction à l’alliage Ti-6Al-4V (TC4)

Le Ti-6Al-4V, également appelé TC4 ou titane Grade 5, est un alliage de titane alpha-bêta renforcé par 6% d’aluminium et 4% de vanadium. C’est l’alliage de titane le plus largement utilisé grâce à son excellent compromis entre résistance, résistance à la corrosion et stabilité thermique. Réputé pour son excellent rapport résistance/poids, le TC4 est couramment adopté dans les secteurs de l’aéronautique, de la défense, du sport automobile et du médical.

Ses caractéristiques hautes performances font du TC4 un matériau de référence pour les composants critiques fabriqués via des services d’usinage CNC. Grâce à ses propriétés mécaniques et thermiques équilibrées, les pièces en titane usinées CNC en TC4 offrent des performances constantes et fiables dans des conditions d’utilisation extrêmes.

Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Ti-6Al-4V (TC4)

Composition chimique (typique)

Propriétés physiques

Propriétés mécaniques (état recuit)

Caractéristiques clés du Ti-6Al-4V (TC4)

• Excellent rapport résistance/poids : le TC4 offre jusqu’à 960 MPa de résistance à la traction pour une densité de seulement 4,43 g/cm³, ce qui le rend idéal pour les structures aéronautiques, les fixations et les pièces de performance.

• Résistance supérieure à la corrosion et à l’oxydation : une couche passive d’oxyde de titane assure une résistance en milieux chlorurés, marins et légèrement acides, avec des performances maintenues jusqu’à 400°C en air.

• Stabilité thermique et résistance au fluage : le TC4 conserve son intégrité mécanique à température élevée (jusqu’à ~400°C en service continu), adapté aux composants de moteurs d’avion et aux systèmes d’échappement.

• Soudabilité et biocompatibilité : l’alliage se soude en TIG/MIG et est non toxique, ce qui en fait un choix privilégié à la fois pour des structures aéronautiques et des dispositifs médicaux implantables à long terme.

Défis et solutions d’usinage CNC pour le Ti-6Al-4V (TC4)

Défis d’usinage

• Conductivité thermique extrêmement faible : avec seulement 6,7 W/m·K, la chaleur s’accumule au niveau de l’arête de coupe, favorisant une usure rapide des outils et une instabilité dimensionnelle.

• Écrouissage prononcé : le TC4 forme rapidement une couche durcie si la charge copeau est insuffisante, d’où la nécessité d’un engagement continu et d’une épaisseur de copeau constante.

• Usure élevée des outils : les phases inter-métalliques abrasives et la formation d’oxydes provoquent des ébréchures et de l’usure en cratère, surtout en usinage à sec ou avec un arrosage insuffisant.

• Retour élastique lié au module d’élasticité : avec un module de 113,8 GPa, la flexion et la récupération élastique compliquent les tolérances serrées, en particulier sur les géométries à paroi mince.

Stratégies d’usinage optimisées

Choix des outils

Paramètres de coupe Ti-6Al-4V (TC4) (conformité ISO 3685)

Traitements de surface pour les pièces en Ti-6Al-4V (TC4)

Le pressage isostatique à chaud (HIP) améliore la durée de vie en fatigue en éliminant la porosité interne, ce qui est critique pour les récipients sous pression et les carters aéronautiques.

Le traitement thermique permet le vieillissement et le recuit (environ 700–850°C) afin d’optimiser la résistance en traction et la détente des contraintes sur des pièces fortement sollicitées.

Le soudage de superalliages fournit des assemblages sans défaut pour les ensembles aéronautiques en TC4, avec un fil d’apport (Ti-6Al-4V) de composition adaptée.

Le revêtement barrière thermique (TBC) avec des couches céramiques YSZ renforce la protection contre l’oxydation sur des pièces moteur/échappement fonctionnant au-delà de 600°C.

L’usinage CNC garantit des géométries de précision avec des tolérances dimensionnelles <±0,01 mm pour des pièces TC4 de qualité aéronautique et médicale.

L’électroérosion (EDM) est idéale pour les micro-trous et les rainures en TC4 lorsque l’outil mécanique risque d’induire des fissures thermiques.

Le perçage profond permet des canaux à fort rapport L/D pour injecteurs, avec des valeurs de Ra internes ≤1,6 µm.

Les essais matériaux, incluant la fatigue, la dureté, la microstructure au MEB (SEM) et le contrôle ultrasonore, valident l’intégrité structurelle des pièces critiques en TC4.

Essais et analyses des matériaux

Les essais du Ti-6Al-4V comprennent la vérification de la dureté, l’analyse de la durée de vie en fatigue, les propriétés en traction à température ambiante et élevée, ainsi que des inspections non destructives conformément aux normes ASTM et ISO pour l’aéronautique.

Applications industrielles du Ti-6Al-4V (TC4)

• Aéronautique : utilisé pour les composants moteurs, trains d’atterrissage, structures et connecteurs de cellule grâce à un rapport performance/poids exceptionnel.

• Défense : employé pour des plaques de protection, enveloppes de missiles et structures de drones nécessitant une forte durabilité pour une masse réduite.

• Médical : utilisé pour les implants orthopédiques, instruments rachidiens et prothèses dentaires grâce à sa biocompatibilité et son ostéointégration.

• Sport automobile : pièces telles que ressorts de soupapes, éléments de suspension et échappements tirent parti de la résistance à la fatigue thermique et de la légèreté du TC4.

• Énergie : les échangeurs, composants de turbines à gaz et équipements de procédés bénéficient de la résistance à la corrosion et au fluage du TC4.