Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Introduction au Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Ti-8Al-1Mo-1V, ou Grade 20, est un alliage de titane proche-alpha conçu pour les applications exigeant une stabilité thermique supérieure, une haute résistance à chaud et une excellente résistance à l’oxydation. Sa teneur élevée en aluminium améliore la rigidité tout en conservant une faible densité, ce qui le rend idéal pour l’aéronautique, l’industrie et les structures fonctionnant à haute température.
Le Grade 20 convient parfaitement à la fabrication de pièces en titane usinées CNC nécessitant une stabilité en environnements thermiques et oxydants. Ces pièces sont généralement produites via des services d’usinage CNC de haute précision répondant aux exigences strictes de qualité et de tolérances des applications aéronautiques, turbines et procédés chimiques.
Propriétés chimiques, physiques et mécaniques du Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Composition chimique (typique)
Élément | Plage de composition (% masse) | Rôle clé |
|---|---|---|
Titane (Ti) | Équilibre | Assure la résistance de base et la résistance à la corrosion |
Aluminium (Al) | 7,5–8,5 | Stabilisateur alpha, augmente la résistance et la rigidité |
Molybdène (Mo) | 0,7–1,3 | Stabilisateur bêta, améliore la résistance au fluage et à l’oxydation |
Vanadium (V) | 0,7–1,3 | Améliore la résistance et la stabilité thermique |
Oxygène (O) | ≤0,15 | Augmente la résistance, doit être contrôlé pour préserver la ductilité |
Hydrogène (H) | ≤0,015 | Contrôlé pour éviter la fragilisation |
Carbone (C) | ≤0,08 | Élément résiduel, influence la dureté |
Fer (Fe) | ≤0,30 | Élément résiduel |
Azote (N) | ≤0,03 | Contrôlé pour éviter la fragilisation |
Propriétés physiques
Propriété | Valeur (typique) | Norme/condition d’essai |
|---|---|---|
Densité | 4,47 g/cm³ | ASTM B311 |
Plage de fusion | 1620–1670°C | ASTM E1268 |
Conductivité thermique | 6,5 W/m·K à 100°C | ASTM E1225 |
Résistivité électrique | 1,66 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 | 120 GPa | ASTM E111 |
Propriétés mécaniques (état recuit)
Propriété | Valeur (typique) | Norme d’essai |
|---|---|---|
Résistance à la traction | 850–950 MPa | ASTM E8/E8M |
Limite d’élasticité (0,2%) | 800–880 MPa | ASTM E8/E8M |
Allongement | ≥10% | ASTM E8/E8M |
Dureté | 280–320 HB | ASTM E10 |
Résistance au fluage | Excellente jusqu’à 500°C | ASTM E139 |
Résistance à la fatigue | Élevée | ASTM E466 |
Caractéristiques clés du Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Résistance à haute température : conserve d’excellentes propriétés de traction et une résistance au fluage jusqu’à 500°C, idéal pour l’aéronautique et les environnements turbine.
Excellente résistance à l’oxydation : la teneur élevée en aluminium favorise la formation d’une couche d’oxyde stable, limitant la dégradation en air chaud ou dans les gaz d’échappement.
Faible densité et forte rigidité : offre un excellent rapport résistance/masse, critique pour les composants aéronautiques et de propulsion sensibles au poids.
Bonne soudabilité et intégrité structurelle : soudable sous protection inerte, avec traitements post-soudage permettant de restaurer les performances mécaniques.
Défis et solutions d’usinage CNC du titane Grade 20
Défis d’usinage
Accumulation thermique : la conductivité thermique est faible comme pour la plupart des alliages de titane, ce qui concentre la chaleur en zone de coupe et augmente l’usure des outils.
Reprise élastique élevée : avec un module d’élasticité de 120 GPa, le retour élastique après usinage peut impacter la géométrie, surtout sur des parois fines.
Grippage et étalement : l’adhérence sur les surfaces d’outils pendant l’usinage dégrade l’état de surface et impose des changements d’outil plus fréquents.
Sensibilité de la durée de vie outil : la teneur plus élevée en aluminium peut favoriser l’usure en entaille et l’accumulation sur arête en cas de lubrification insuffisante.
Stratégies d’usinage optimisées
Sélection des outils
Paramètre | Recommandation | Justification |
|---|---|---|
Matériau de l’outil | Carbure à grain fin, plaquettes revêtues TiB2 | Bonne résistance à l’usure à haute température |
Revêtement | AlTiN ou TiSiN | Améliore la résistance à la chaleur et à l’abrasion |
Géométrie | Angle positif tranchant, arête légèrement honée | Réduit les contraintes et les efforts de coupe |
Vitesse de coupe | 20–50 m/min | Limite l’échauffement et les erreurs dimensionnelles |
Avance | 0,10–0,25 mm/tr | Assure le contrôle des copeaux sans pression excessive |
Arrosage | Émulsion haute pression ≥100 bar | Garantit une bonne dissipation thermique |
Paramètres de coupe du Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20) (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 | 45–60 | 0,05–0,10 | 0,2–0,5 | 100–150 |
Traitements de surface des pièces en titane Grade 20
Le pressage isostatique à chaud (HIP) améliore la durée de vie en fatigue et élimine la porosité interne, particulièrement utile pour la quincaillerie aéronautique.
Le traitement thermique comprend des cycles de recuit et de détente afin d’améliorer la stabilité dimensionnelle et la résistance au fluage.
Le soudage des superalliages est réalisé sous protection gazeuse inerte, suivi d’un traitement thermique pour restaurer pleinement les propriétés mécaniques.
Le revêtement barrière thermique (TBC) apporte une protection contre l’oxydation et une isolation thermique de surface pour les composants aéronautiques et turbines.
L’usinage CNC permet des tolérances de ±0,01 mm sur des aubes de turbine et équerres aéronautiques critiques.
L’usinage par électroérosion (EDM) facilite les géométries complexes et les parois fines sans déformation mécanique.
Le forage profond permet L/D >30:1 avec Ra ≤1,6 µm, adapté aux canaux de refroidissement dans les pièces aéronautiques.
Les essais matériaux incluent des essais de fluage, la validation microstructurale et le contrôle ultrasonore (NDT) selon les normes AMS et GB.
Essais et analyses des matériaux
Les composants en Grade 20 sont validés par des essais de rupture au fluage, des essais de traction à haute température, des analyses microstructurales SEM/XRD et des contrôles par ultrasons afin de satisfaire les spécifications des secteurs aéronautique et turbine.
Applications industrielles du Ti-8Al-1Mo-1V (Grade 20)
Aéronautique : pièces moteur, fixations et composants de commande exposés à des températures élevées.
Production d’énergie : aubes de turbine, éléments d’échangeurs thermiques et composants de brûleurs.
Équipements industriels : outillages de traitement thermique, bras de support haute résistance et écrans thermiques.
Défense : cadres de blindage structurel et pièces de propulsion où la résistance à l’oxydation est critique.
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