Qu’est-ce que le titane ?
Le titane est un métal léger et solide, d’un éclat blanc argenté, représenté par le symbole chimique Ti et le numéro atomique 22.
Il est largement utilisé dans des domaines hautement techniques tels que l’aéronautique et l’automobile, car il est extrêmement résistant à la corrosion et à la chaleur. Il est également biocompatible et on le trouve dans des dispositifs médicaux tels que les articulations artificielles et les implants dentaires.
En revanche, il est extrêmement dur et nécessite des techniques de traitement spécialisées. Il réagit avec l’oxygène de l’air pour former un film d’oxyde à la surface, d’où la nécessité de prendre des mesures particulières lors du soudage et de la transformation.
Utilisations du titane
Voici quelques-unes des utilisations typiques du titane :
- Avions
Cadres, ailes, trains d’atterrissage, pièces de moteur, etc. - Automobiles
Pièces de moteur, systèmes d’échappement, suspension, roues, etc. - Équipement médical
Articulations artificielles, implants dentaires, outils et instruments chirurgicaux, dispositifs médicaux, etc. - Électronique
Boîtiers de smartphones et de tablettes, bornes de contact de composants électroniques, cartes de circuits électroniques, etc. - Industrie chimique
Tuyauterie, récipients de réaction, boulons, écrous ou autres dans les usines chimiques et l’industrie pétrolière et gazière. - Articles de sport
Cadres de bicyclettes, raquettes de tennis, clubs de golf, cannes à pêche, etc. - Industrie manufacturière
Outils, pièces de machines, moules, pièces moulées, etc. - Industrie de l’énergie
Échangeurs de chaleur, tuyauteries, pales de turbines ou autres pour les centrales thermiques et nucléaires.
Propriétés du titane
1. Léger et très résistant
Le titane est un métal léger mais extrêmement résistant. Il dispose d’une densité d’environ 4,5 (g/cm3), alors celle du fer est d’environ 7,9 (g/cm3) – soit environ la moitié de la masse du fer. Le titane est un métal à structure hexagonale en couches serrées, et cette structure est liée à sa résistance. La structure hexagonale compacte est une structure dans laquelle les atomes et les molécules sont densément emballés dans un arrangement.
2. Résistance à la corrosion
Le titane est un matériau très résistant à la corrosion et peut supporter des environnements chimiques tels que les acides, les alcalis et l’eau de mer. La raison principale est que le titane réagit avec l’oxygène de l’air, formant une fine pellicule d’oxyde. Ce film d’oxyde est très résistant et protège la surface du titane des substances corrosives telles que les acides, les bases et l’eau de mer.
Il s’agit également d’un métal chimiquement stable. Même lorsqu’il est exposé à des environnements chimiques tels que les acides, les alcalis et l’eau de mer, la structure cristalline et les propriétés du titane le rendent résistant à l’altération et à la corrosion. De plus, sa faible perméabilité aux ions d’oxygène entraîne la formation d’un film d’oxyde plus stable, ce qui améliore sa résistance à la corrosion.
Une autre raison est sa résistance aux réactions électrochimiques au contact d’autres métaux. Cela a pour effet de réduire la progression de la corrosion.
3. Résistance à la chaleur
Le titane a un point de fusion élevé de 1 668°C et possède des propriétés physiques stables même à des températures élevées. De plus, son film d’oxyde est stable à haute température et n’est pas dégradé par l’oxydation thermique. Cela en fait un matériau adapté aux environnements à haute température.
La première raison est que le titane est résistant à l’oxydation à haute température. Un film d’oxyde se forme alors à sa surface lorsqu’il est exposé à des gaz chauds tels que l’oxygène, l’azote, l’hydrogène et le carbone. Cela permet de protèger les pièces métalliques.
Comme ils sont également résistants à la corrosion à haute température, ils peuvent être utilisés pendant de longues périodes. En effet, le film d’oxyde le protège contre les acides, les alcalis, l’eau de mer, les sels fondus et d’autres substances chaudes et corrosives.
De plus, sa résistance peut être maintenue à des températures élevées, ce qui explique pourquoi il est préféré pour des composants mécaniques dans des environnements à haute température. Il est également résistant au fluage (déformation plastique) à haute température et peut supporter une utilisation prolongée.
4. Résistance à l’usure
La raison de la grande résistance à l’usure du titane est également due au film d’oxyde se formant à sa surface. Effectivement, il réagit avec l’oxygène de l’air pour former un film d’oxyde de titane à la surface. Ce dernier se révèle si dur et si résistant à l’usure que même si le matériau en titane lui-même s’use, le film s’écaille et la surface se régénère.
Le titane est également très dur et solide. Il peut donc résister aux impacts et aux forces physiques.
Types de titane
Il existe de nombreux types de titane, dont les suivants :
1. Dioxyde de titane
Il s’agit d’une substance poudreuse blanche utilisée comme photocatalyseur, peinture, additif alimentaire, colorant pour papier et plastique, absorbeur d’UV, etc.
2. Carbure de titane
Il s’agit d’un alliage de titane et de carbone à haute dureté. Il est utilisé dans les outils de coupe et les pièces de précision pour l’usinage.
3. Nitrure de titane
Il s’agit d’un alliage de titane et d’azote, d’une grande dureté et d’une grande résistance à l’usure ainsi qu’à la corrosion. Il est utilisé pour les matériaux de revêtement, les outils de coupe et les roulements.
4. Carbure de titane et de silicium
Il est composé de trois éléments – le titane, le silicium et le carbone – présentant une grande solidité à haute température et une excellente résistance à la chaleur. Il est utilisé dans les composants des moteurs d’avion, les barres de contrôle des centrales nucléaires et les disques de frein des trains à grande vitesse.
Autres informations sur le titane
1. Faible conductivité thermique
La structure cristalline du titane présente une structure hexagonale en paquet serré dans laquelle les atomes sont disposés de manière très serrée. Cela a pour effet de limiter la conduction efficace de l’énergie thermique entre les atomes.
La liaison relativement forte entre les atomes du titane restreint également les vibrations et le transfert d’énergie entre les atomes. De ce fait, la conduction efficace de l’énergie thermique est entravée, faisant du titane un mauvais conducteur thermique.
2. Non magnétique
Le titane pur et les alliages de titane courants sont généralement non magnétiques et présentent peu ou pas de propriétés magnétiques. Toutefois, le magnétisme peut être présent dans certains de ses alliages.
3. Résistance à l’oxydation
Le titane est résistant à l’oxydation, même dans des environnements à haute température. Dans l’oxygène normal ou dans l’air, la surface du titane réagit avec l’oxygène pour former un film d’oxyde de titane (oxyde de titane). Ce dernier est très fin, solide et adhérent. De plus, il protège la surface du titane de l’oxygène et d’autres oxydes.
4. Biocompatibilité
Le titane est un métal biocompatible. Le film d’oxyde formé à la surface joue un rôle important. En effet, il s’agit d’une couche protectrice très fine et résistante, chimiquement stable, qui facilite l’interaction avec les tissus biologiques et favorise la croissance des cellules et des tissus osseux.
De plus, le titane ne réagit pas dans la plupart des cas lorsqu’il entre en contact avec les tissus et les organismes humains. Il n’a donc que très peu d’effets ou d’effets secondaires sur l’organisme. Par conséquent, il s’agit d’un métal qui présente un faible risque de provoquer des réactions allergiques et des inflammations.
5. Phénomène de ramollissement
Le titane peut résister à des températures élevées, mais s’il est exposé à des températures élevées pendant de longues périodes, un ramollissement peut se produire. Ce phénomène est dû à une modification de sa structure cristalline, ce qui réduit sa résistance.