Une nouvelle ère pour le titane

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Parmi les métaux, la résistance et la légèreté du titane, sa résistance à la corrosion et sa capacité à résister à des températures extrêmes ont longtemps distingué sa valeur, en particulier pour les applications sensibles au poids et à l'environnement. Lorsqu'il a été décrit pour la première fois à la fin du 18e siècle, un co-découvreur a nommé le métal pour les Titans - des dieux nés de la Terre et du ciel dans la mythologie grecque antique.

Le temps n'a fait que brunir l'éclat du titane. "Je suis un spécialiste des matériaux, et les gens me demandent parfois 'quel est votre élément préféré ?'", explique Andrew Minor, professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Pour les bâtiments, les avions, les missiles, les vaisseaux spatiaux et plus encore, dit-il, "si vous voulez le matériau le plus solide pour le moins de poids, c'est le titane. Si nous le pouvions, nous ferions tout en titane."

En effet, pour les concepteurs industriels, la perspective de voitures, de camions et d'avions solides, légers et très économes en carburant, par exemple, ou de cargos super résistants à la corrosion, le titane doit faire rêver.

Le problème? "C'est trop cher", dit Minor à propos du titane de qualité industrielle ou des alliages de titane qui pourraient autrement remplacer l'acier alors que seuls les matériaux les plus solides et les plus durables suffiront. En fait, le coût de fabrication du titane est environ six fois supérieur à celui de l'acier inoxydable. En conséquence, ses utilisations sont restées limitées aux pièces spécialisées pour l'aérospatiale, aux articles haut de gamme comme les bijoux ou à d'autres applications de niche.

De plus, le titane pur n'a qu'une résistance modérée, explique Minor. Il peut être renforcé avec des éléments comme l'oxygène, l'aluminium, le molybdène, le vanadium et le zirconium ; cependant, cela se fait souvent au détriment de la ductilité - la capacité d'un métal à être étiré ou déformé sans se fracturer.

Maintenant, après une décennie de recherche, une nouvelle ère pour le titane, y compris des applications d'ingénierie considérablement élargies, pourrait approcher, grâce à Minor et à ses collègues de Berkeley, dont Mark Asta, Daryl Chrzan et JW Morris Jr., également professeurs au Département de science et génie des matériaux. Ils ont sondé et poussé le titane de nombreuses façons dans l'espoir d'étendre son utilisation pratique pour une variété d'applications structurelles ou d'ingénierie.

Dans une série d'études, les chercheurs ont développé de nouvelles connaissances essentielles sur le titane, y compris des recettes pour fabriquer de meilleurs alliages de titane ainsi qu'une technique cryoforgée pour fabriquer du titane de qualité industrielle - des avancées qui pourraient finalement conduire à une fabrication plus rentable et durable.

Un dessin schématique du processus cryomécanique qui aboutit au titane nanomaillé. (Illustration par Andrew Minor)

Il est important de comprendre que le coût du titane n'est pas dû à sa rareté. Le titane n'est pas un métal précieux ; au contraire, on le trouve presque partout dans le monde, dans les roches ignées près de la surface. C'est le neuvième élément le plus abondant de la Terre et le quatrième métal le plus abondant, et il peut être utilisé pour fabriquer des objets à la fois sous sa forme pure ou sous forme d'alliage.

Au lieu de cela, ce qui entraîne le coût excessif du titane de qualité commerciale, explique Minor, est le procédé complexe Kroll le plus souvent utilisé pour fabriquer des barres de titane, des lingots et d'autres formes de métal pouvant être transformés en pièces utilisables et autres produits. Le processus comprend l'utilisation de matériaux coûteux comme le gaz argon, et il est énergivore, nécessitant plusieurs fusions à des températures extrêmement élevées, en particulier pour contrôler les impuretés d'oxygène.

En effet, le titane et l'oxygène ont une relation déroutante, une relation que Minor, Asta, Chrzan, Morris et leurs collègues ont voulu mieux comprendre. L'équipe savait qu'une impureté d'oxygène est souvent utilisée pour les alliages de titane pour exploiter un puissant effet de renforcement. Le titane fabriqué avec une petite augmentation de la quantité d'oxygène atomique peut donner un métal dont la résistance est multipliée par plusieurs.

Malheureusement, l'oxygène peut également entraîner une diminution encore plus importante de la ductilité du métal. Il devient cassant et va se fracturer et se casser.

Mais "l'oxygène est partout", dit Minor à propos de la difficulté à manœuvrer autour de la haute réactivité du titane à l'oxygène. "Ce n'est pas une impureté provenant du matériau source que vous pouvez simplement éviter."

Il caractérise la sensibilité du titane à l'oxygène comme extrême. "C'est vraiment étrange à quel point c'est puissant", dit Minor. Il exerce des effets sur le métal, à la fois bons et mauvais, alors que la présence de quantités similaires d'oxygène est insignifiante pour des métaux comme l'aluminium et l'acier car il peut être traité beaucoup plus facilement dans le traitement.

Pour en savoir plus, l'équipe s'est tournée vers le calcul haute performance pour modéliser le processus de déformation du titane sous contrainte et avec différentes quantités d'oxygène. Les modèles informatiques, dit Asta, sont un "ensemble puissant d'outils qui nous permettent d'étudier ce défi exceptionnel de la métallurgie du titane".

Parmi les découvertes majeures de l'équipe, un brassage des atomes d'oxygène dans la structure cristalline du titane lorsque le métal est sous contrainte, est devenu la clé pour comprendre la perte de ductilité. Dans un état non contraint, les molécules d'oxygène résident sans incident dans les espaces naturels entre les atomes de titane. Mais sous des forces mécaniques, les atomes d'oxygène peuvent se déplacer vers des espaces adjacents où ils offrent moins de résistance aux dislocations qui, si elles se propagent, affaiblissent le métal.

"L'oxygène favorise une faiblesse structurelle", explique Minor. Lorsque les forces mécaniques déforment le métal, les atomes d'oxygène déplacés, plutôt que de bloquer la propagation des défauts structurels, peuvent faciliter ce que l'on appelle un glissement planaire.

Un glissement planaire, dit Asta, est comme une ondulation de défauts dans la structure cristalline du métal qui se construisent les uns sur les autres, conduisant finalement à des fractures, des fissures et un morceau de métal cassant.

Pour comprendre comment une luxation peut se former et se propager dans le titane, Chrzan suggère de visualiser en essayant de déplacer un grand tapis lourd.

"Un très grand tapis peut être ramassé à une extrémité et traîné sur le sol vers une nouvelle position", dit-il. Mais une autre façon de déplacer le tapis est de créer une ondulation à une extrémité, puis, en traînant vos pieds sur le dessus du tapis, vous pouvez "marcher" l'ondulation jusqu'à l'autre extrémité. Si rien ne bloque son mouvement, le tapis entier aura été déplacé d'une distance égale à la largeur de l'ondulation.

De telles "ondulations" dans le titane peuvent être observées au microscope électronique. "Vous pouvez voir que toutes les dislocations sont alignées, en rangées", explique Minor. "Et c'est mauvais pour la ductilité parce que s'ils s'alignent et ne font que se suivre, ils ne s'emmêlent pas [et ne s'arrêtent donc pas] de sorte que le métal ne durcisse pas. Vous obtenez une concentration de contrainte, et c'est là que vous obtenez une fissure. "

Les stratégies de conception qui interrompent le processus de brassage des atomes d'oxygène ou favorisent les nanostructures pour empêcher les glissements plans de s'accumuler pourraient conduire à de meilleurs alliages. Ces alliages auraient des applications en particulier dans les industries automobile et aérospatiale, dit Minor.

Le professeur Andrew Minor verse de l'azote liquide sur un échantillon de titane, démontrant le processus de cryoforgeage utilisé pour créer du titane nanotwinné dans son laboratoire. (Photo par Adam Lau / Berkeley Engineering)

Pour résoudre ces problèmes et d'autres, l'équipe s'appuie sur un mélange de modélisation informatique, de microscopie électronique à transmission (TEM) et d'autres modalités d'imagerie, et d'expériences.

"L'une des choses qui ont été vraiment agréables à propos de ce projet est que parfois les informaticiens et les théoriciens sont un peu en avance, et d'autres fois ce sont les expérimentateurs", déclare Asta. "Nous nous rencontrons fréquemment et parlons de nos découvertes et de nos nouvelles idées."

L'étude de l'équipe sur la sensibilité à l'oxygène du titane, par exemple, a conduit à une étude du titane allié à l'aluminium et à l'oxygène. Ils ont découvert que la fragilisation par l'oxygène pouvait être éliminée en ajoutant de petites quantités d'aluminium, en particulier à des températures cryogéniques inférieures à -150 degrés Celsius.

Avec juste les bonnes quantités d'aluminium et d'oxygène, selon l'équipe, un nouvel ordre de la structure cristalline du titane a empêché un brassage des atomes d'oxygène qui conduirait à un empilement dommageable de dislocations et finalement de fractures. De plus, étant donné que l'introduction de l'aluminium a réduit la sensibilité à l'oxygène du titane dans son ensemble, les coûts de traitement pour créer un métal utilisable seraient également réduits.

Dans une autre étude encore, l'équipe a examiné des recherches remontant aux années 1960 montrant que de nombreux métaux et alliages affichent des augmentations spectaculaires de la ductilité lorsqu'ils sont soumis à des impulsions électriques périodiques lors de la déformation du métal. Mais les mécanismes sous-jacents expliquant pourquoi cette soi-disant électroplasticité pourrait être vraie ne sont pas clairs.

"L'électroplasticité peut entraîner une réduction des coûts de traitement métallurgique, car il faut moins d'énergie pour former du métal avec des impulsions électriques que pour chauffer tout le métal à une température élevée pour obtenir la même formabilité", explique Minor. "Il est intéressant de noter que cet effet d'électroplasticité est universel dans la mesure où il a été démontré qu'il fonctionne pour pratiquement tous les métaux, pas seulement pour le titane."

L'équipe a effectué des essais de traction du métal dans trois conditions différentes : température ambiante sans courant électrique, avec une impulsion électrique périodique d'une durée de 100 millisecondes et à courant constant. Parce que l'application de courant électrique chauffe le métal, l'équipe s'est inquiétée de distinguer les effets causés uniquement par l'électricité de ceux causés par la chaleur.

Leurs résultats ont montré que, malgré l'utilisation d'une impulsion périodique plus petite que les études précédentes, la méthode du courant pulsé améliorait l'allongement en traction de l'alliage de titane ainsi que sa résistance maximale. Ils notent que cet effet n'était spécifique qu'à l'expérience du courant pulsé.

Avec l'aide de TEM pour voir les changements dans la structure cristalline du métal, leurs résultats suggèrent que le traitement par courant pulsé supprime les dislocations de glissement planaires. Les chercheurs ont découvert que l'impulsion électrique durcit le matériau et empêche le développement d'un glissement planaire en maintenant un motif de dislocation 3D diffus qui offre finalement une résistance et une ductilité élevées.

Plus récemment, Minor et Robert Ritchie, professeurs de science des matériaux et de génie mécanique, ont mis au point une méthode pionnière de traitement en masse pour fabriquer du titane pur qui est moins coûteux et donne un métal avec une plus grande résistance à la traction et une plus grande ductilité.

Daryl Chrzan, Mark Asta et Andrew Minor, professeurs de science et génie des matériaux (de gauche à droite), avec le projet TEAM I (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope) au National Center for Electron Microscopy de Berkeley Lab. (Photo par Adam Lau / Berkeley Engineering)

Outre les alliages, une autre façon de renforcer les métaux de structure consiste à adapter la taille des cristaux - également appelés grains - qui composent le métal en utilisant la chaleur et un traitement mécanique, comme le laminage ou le pressage. En réduisant la taille des grains à des sous-micromètres ou des nanomètres, les chercheurs peuvent introduire des structures dites nanomaillées, ou des défauts dans le métal causés par des structures cristallines alignées. Les structures nanojumelées améliorent la résistance et réduisent le risque de fracture en agissant comme une barrière aux glissements planaires. En adaptant l'espacement et l'orientation des structures nanojumelées, dit Minor, les propriétés mécaniques peuvent être encore optimisées. Mais les méthodes traditionnelles pour le faire ne sont ni triviales ni bon marché.

Au lieu de cela, Minor, Ritchie et leurs collègues ont introduit plusieurs structures nanojumelées en titane pur au moyen d'un processus cryomécanique. Ils ont utilisé des morceaux de titane en forme de cube qui ont été pressés sur trois côtés dans de l'azote liquide. La compression douce, dit Minor, contrôle la densité des structures nanojumelées qui renforcent le métal tout en préservant sa structure de grain initiale. Mieux encore, le processus ne repose pas sur une chaleur intense et peut être un moyen plus durable de fabriquer du titane pour une gamme d'applications beaucoup plus large qu'aujourd'hui.

Les propriétés mécaniques du matériau cryoforgé, en particulier la résistance et la ductilité, sont maintenues à des températures extrêmement élevées et cryogéniques. Minor affirme que les performances du titane nanotwinné le rendent idéal pour des choses comme les moteurs à réaction extrêmement chauds ainsi que les environnements de fonctionnement très froids qui suggéreraient des utilisations comme les anneaux de retenue pour les aimants supraconducteurs, les pièces structurelles des réservoirs de gaz naturel liquéfié, ainsi que les matériaux à exposer à des environnements océaniques ou spatiaux profonds.

Lorsqu'on lui a demandé si le nouveau procédé de fabrication de titane de qualité commerciale pourrait être mis à l'échelle un jour prochain, Minor a répondu, pourquoi pas ? Il est en fait plus difficile de faire des choses comme le processus Kroll qui est utilisé aujourd'hui, où le matériau doit être isolé électriquement et l'ensemble du processus consomme énormément d'énergie. "Et ce cryo-forgeage, vous savez, nous mettrions juste les choses dans un bain."