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Congres mondial du titane - Nantes - Juin 2019

La 14ème édition du congrès mondial du titane se déroulait à la cité des congrès de Nantes du 10 au 14 Juin 2019. Cet évènement rassemblait la communauté mondiale du titane avec la présence des chercheurs, des scientifiques et des industriels. L’Association Française du Titane et la Société Française de la Métallurgie et des Matériaux (SF2M) étaient les co-organisateurs du congrès Ti-2019 avec le support du Pole EMC2. Dans cet article, nous avons traité plus spécifiquement du recyclage du titane et de l’hybridation des procédés de fabrication.

Congrès mondial du titane, une forte fréquentation

Le congrès mondial du titane rassemblait près de 700 participants provenant de 34 pays ainsi que 85 exposants. Les principales nations représentées en termes de nombre de participants étaient la France (29 %), la Chine (17 %), puis le Japon (10 %) et la Grande Bretagne (10%), les Etats-Unis (7%) et enfin l’Allemagne (5%) et la Corée (5%). La première demi-journée était consacrée aux séances plénières portées sur la situation actuelle, le développement et les activités de recherche sur le titane et présentées par les sept membres du comité international : Royaume-Uni, Japon, Etats-Unis, Allemagne, Chine, CEI- communauté des Etats Indépendants et France. Les communications se sont ensuite déroulées en neuf sessions parallèles sur trois jours découpés en onze thèmes (tableau ci-dessus). Une riche diversité de présentations était proposée entre les activités de recherches de type académique et celles plutôt orientées vers des applications industrielles. Étaient abordés principalement à ce congrès mondial du titane, les domaines de l’aéronautique, du biomédical et de l’automobile en plus de quelques exemples cités dans le domaine du génie civil.

Relations microstructures/propriétés et simulations numériques multi-échelles

Un axe de recherche très présent dans ce congrès et commun à toutes les sessions reflétant son importance était la compréhension de la relation microstructure/propriétés mécaniques couvrant les différents types d’alliages de titane. Les principaux champs d’investigation expérimentale sont l’impact de la déformation suite aux procédés de mise en forme, l’évolution microstructurale en lien avec les traitements-thermomécaniques, l’effet de la texture cristallographique ou l’analyse fine des mécanismes de déformation plastique. D’autre part, les approches de modélisation et les simulations numériques multi-échelles gagnent de plus en plus de terrain mettant en évidence leur performance en termes de capacité prédictive et leur intérêt en tant qu’assistant à l’optimisation et au gain de temps.

Le recyclage du titane avec Ecotitanium

Le recyclage du titane également est un axe primordial et stratégique de développement en particulier en Europe, étant donné que le vieux continent regroupe des fournisseurs majeurs de déchets/chutes de titane sans l’existence jusqu’à présent d’installation européenne dédiée au recyclage de titane (de qualité aéronautique). Dans ce cadre, MetaFensch et ses partenaires industriels Aubert&Duval et Safran ont présenté l’avancement du projet Ecotitanium qui a pour objectif le développement du recyclage du titane en lingots de qualité aéronautique via l’optimisation des paramètres de fusion et d’affinage.

Le moyen mis en œuvre est un four pilote semi-industriel PAM-CHR (Plasma Arc Melting – Cold Hearth Refining) équipé de trois torches à plasma et composé de deux creusets froids (un pour la fusion et un pour l’affinage de l’alliage de titane liquide). Ce four permet de couler des lingots de 100 ou 150 mm de diamètre. Les travaux permettent de comprendre les mécanismes physico-chimiques impliqués dans l’interaction de l’arc plasma avec le métal liquide. L’influence de divers paramètres tels que le type de chargement, les paramètres de l’arc plasma, la pression de fonctionnement sur la qualité finale du lingot de coulée (cas du TA6V et TiAl) a été discutée. En complément à ce travail expérimental, des moyens numériques de modélisation ont été développés afin de prédire et de maximiser l’efficacité du flux thermique en étudiant la contribution du flux de chaleur transféré de la torche de plasma à la surface du bain liquide. La valorisation des chutes de titane s’inscrit dans une démarche d’économie circulaire avec un impact écologique évident et des retombées économiques évitant en particulier les risques liés aux fluctuations des prix des matières premières.

Environnement gazeux

La réactivité du titane avec son environnement gazeux est l’une des préoccupations liées à ce matériau. Les alliages de titane se caractérisent par la formation d’une couche d’oxyde TiO2 qui a un effet protecteur. Cependant, l’exposition à des températures élevées dans des environnements oxydants induit la perte de cet effet protecteur dû à la dégradation de cette couche laissant ainsi possible la pénétration d’oxygène. Cet enrichissement entraîne une détérioration des propriétés mécaniques. Quelques communications ont traité cette problématique afin de comprendre les interactions et les phénomènes physiques ainsi que le rôle des éléments interstitiels. L’effet de l’enrichissement en oxygène sur les propriétés élastiques et sur le comportement mécanique en fluage a été investigué par le CIRIMAT (Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des MATériaux). Ces travaux ont montré qu’une zone enrichie en oxygène occupant 5% de la section d’un échantillon est suffisante pour induire des changements détectables dans son comportement mécanique macroscopique pendant le fluage. Par ailleurs, l’azote est un oxydant secondaire qui se dissout également dans le titane lors de l’oxydation à l’air. Son rôle a été étudié par des tests d’exposition à températures élevées sous différents airs synthétiques (mélange 20% d’O2 – 80% de N2 et un mélange de 20% d’O2 – 80% de Ar). Cette étude a montré que l’introduction de l’azote crée une barrière et diminue la pénétration de l’oxygène grâce à la formation d’une couche de nitrure Ti2N mise en évidence par sonde atomique tomographique. Ces problématiques rencontrées sur des pièces massives sont également valables pour les poudres de titane. Quelques études se sont intéressées à l’oxydation de la poudre et l’impact engendré sur les caractéristiques morphologiques et texturales de la poudre.

Vers l’hybridation des procédés

L’hybridation des procédés est née de nouvelles synergies entre les procédés dites ‘classiques’ et les nouvelles technologies. Dans cette optique, le projet MAMA (Metallic Advanced Materials for Aeronautics) associe l’IRT Saint-Exupéry, Airbus, Aubert&Duval, la firme américaine Sciaky et le laboratoire génie de production de l’ENIT (Ecole Nationale d’ingénieurs de Tarbes). L’objectif de ce projet est de réduire les coûts de production des pièces forgées (visant jusqu’à 40% de réduction) en réalisant une hybridation entre les procédés forgeage/matriçage et la fabrication additive. Un autre exemple d’hybridation des procédés présenté dans ce congrès est le couplage de la technologie de dépôt direct par laser (procédé DLD) et d’un micro-laminage. Ce nouveau procédé vient répondre à la problématique de microstructure obtenue par le procédé DLD et qui se constitue essentiellement par des gros grains colonnaires due au refroidissement directionnel. Le challenge est de bien maîtriser la cinétique des croissances des grains et le développement de la texture. L’anisotropie (par rapport à la direction de construction des pièces) est atténuée avec une microstructure plus fine, et une amélioration des propriétés mécaniques est constatée.

Le titane en augmentation constante

L’intérêt des alliages de titane toute catégorie confondue est en continuelle augmentation. Ce matériau tient toutes ses promesses comme matériau de choix pour diverses applications. Développer de nouvelles compositions d’alliages, rendre plus performantes les technologies de fabrication, améliorer ou rendre plus robustes les outils numériques sont autant de leviers de progrès. Ce congrès de titane a été l’occasion de découvrir les nouveaux projets de recherche, les évolutions technologiques mais également d’échanger sur les enjeux industriels majeurs dans de nombreux domaines.